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ARM与神经网络处理器通信方案的设计实现

2015年08月10日 10:54 次阅读
  引言   人工神经网络在很多领域得到了很好的应用,尤其是具有分布存储、并行处理、自学习、自组织以及非线性映射等特点的网络应用更加广泛。嵌入式便携设备也越来越多地得到应用,多数是基于ARM内核及现场可编程门阵列FPGA的嵌入式应用。某人工神经网络的FPGA处理器能够对数据进行运算处理,为了实现集数据通信、操作控制和数据处理于一体的便携式神经网络处理器,需要设计一种基于嵌入式ARM内核及现场可编程门阵列FPGA的主从结构处理系统满足要求。   1 人工神经网络处理器   1.1 人工神经网络模型   人工神经网络是基于模仿大脑功能而建立的一种信息处理系统。它实际上是由大量的、很简单的处理单元(或称神经元),通过广泛的互相连接而形成的复杂网络系统。最早的神经元模型是MP模型,由输入X、连接权值W和阈值θ、激活函数f和输出O组成,如图1所示。   图1 人工神经元的MP模型   图1 人工神经元的MP模型   神经元j的输出为:      式中:netj是神经元j的净输入,xi是神经元j的输入,wij是神经元i到神经元j的权值,θj是神经元j的阈值,f()是神经元净输入和输出之间的变换函数,称为激活函数。[1]   后来的各种网络模型基本都由这几个因素构成,例如图2的三层BP神经网络模型。   图2 三层BP神经网络模型   图2 三层BP神经网络模型   三层BP网络的标准学习算法如下[2],当网络输出与期望输出不等时,存在输出误差E,定义如下:      进一步展开,是各层权值wij(隐层到输出层)、vij(输入层到隐层)的函数:      要使误差不断减小,需对权值进行处理,最终的权值调整的公式为:      三层前馈神经网络的BP学习算法的向量形式如下,对于输出层:      容易看出,各层权值调整公式均由3个因素决定,即学习率η、本层输出的误差信号δ以及本层出入信号Y(或X)。其中,输出层误差信号与网络的期望输出与实际输出之差有关,直接反映了输出误差,而各隐层的误差信号与前面各层的误差信号都有关,是从输出层开始逐层反传过来的。   神经网络的训练学习的过程就是通过不断地调整各个节点的权值,使输出误差达到最小,最终获得稳定可靠的权值,实现网络的预定功能。   1.2 人工神经网络的FPGA实现   算法公式实际隐含着各种运算过程,乘累加计算、激活函数及其导数的计算和逻辑运算是3种必不可少的运算,因此FPGA的实现主要是各种运算器的设计和连接。处理器要处理各种类型的数据,样本数据X(训练样本、实际样本),网络参数(学习速率η、每层神经元个数n等)和权值W是必不可少的。网络参数和初始权值用来对网络初始化,训练样本用来训练网络学习,最后在网络应用阶段对实际样本进行处理。   图3 神经网络的运算模块和数据存储结构图   图3 神经网络的运算模块和数据存储结构图   图3展示的是FPGA神经网络处理器的主体部分:存储模块和运算模块。根据网络的结构特点,连接权值处于各个神经元节点的连接处,与各自的权值运算结构一一对应,为分布式,所以分布式存储器WM中存储权值数据;样本数据统一从网络的输入层进入网络,故DM中存储样本数据;MAE是处理器的运算部分。   2 通信硬件设计   2.1 系统整体架构   系统整体结构框图如图4所示,分为ARM端和FPGA端两个部分。ARM端有两个功能:一是从内存中读取已有数据,通过DMA方式下载到FPGA端,按照数据类型将数据下载到不同的存储设备和存储空间;二是对FPGA进行控制,主要是各种中断操作。FPGA端的功能是接收ARM传送的数据,存储数据,并在微程序控制器的控制下进行运算处理,最后把结果上传给ARM。   图4 系统整体结构框图   图4 系统整体结构框图   ARM端以S3C44B0X芯片为核心,外部扩展各类设备构成。S3C44B0X 是三星公司的16/32位微处理器,片内集成了ARM7TDMI核,并在此基础上集成了丰富的外围功能模块,为嵌入式设备提供一个低成本高性能的方案。   S3C44B0X拥有4通道的DMA控制器,两个ZDMA,连接于SSB(三星系统总线);另外两个BDMA,连接在SSB和SPB(三星外围总线)之间的接口层。其中ZDMA可从存储器到存储器、存储器到I/O设备和I/O设备到存储器传送数据。DMA操作由S/W或来自外部请求引脚(nXDREQ0/1)的请求来启动。[3]   在DMA操作中,通过配置DMA特殊功能寄存器来实现对DMA的控制,如图5所示。   图5 ZDMA 控制器框图   图5 ZDMA 控制器框图   FPGA端的组成为FPGA芯片和扩展存储器。按处理数据类型的不同设计不同的存储结构,具体如下所列。神经网络的结构参数存放于控制寄存器组,初始权值、稳定权值存放于分布式存储器,其他参数(学习速率、学习速率调整因子等)存放于专用寄存器组A中,处理结果存放于专用寄存器组B中,样本数据存放于扩展存储器SD卡中。      以上所述的存储体,除扩展存储器外其他结构都在FPGA芯片内部设计完成。采用这种设计是基于FPGA片上存储资源的使用情况:①FPGA的配置文件占用;②分布式存储器占用;③各类寄存器组占用。当样本数据数量较大时会占用比较大的空间,FPGA芯片将不能满足,因此不能把样本数据存储在片上,而是存储于扩展存储器。   2.2 硬件连接   从上面的介绍容易发现,ARM芯片的通信对象是基于SRAM工艺的FPGA芯片上的存储体。因此,FPGA芯片作为存储设备时,ARM芯片可直接与其相连。ARM与FPGA硬件连接示意图如图6所示。   图6 ARM与FPGA硬件连接示意图   图6 ARM与FPGA硬件连接示意图   ARM与FPGA的片上存储体的地址总线连接设置为12位,足够存储和寻址需求。   数据总线的宽度为28位。神经网络处理器的数据精度为16位[4],FPGA样本数据寄存器还有12位外部扩展存储器的地址数据,因此整个数据总线的宽度为二者之和。除样本数据寄存器之外的片上存储体,数据线占用28位数据总线中的低16位。   控制总线包括ARM端的片选线nGCS6和读/写控制线。对ARM相应的寄存器进行配置可激活BANK6(FPGA片上存储体)和读/写数据。   根据数据存储位置的不同,硬件连接可分成两方面。如图7所示。   图 7FPGA端部分硬件连接示意图   图 7FPGA端部分硬件连接示意图   第一,存储位置为FPGA端的外部扩展存储器。①ARM与FPGA通过12位地址总线、28位数据总线及控制总线直接相连,数据写入样本数据寄存器。②样本数据寄存器的28位数据按照12位地址数据、16位样本数据,通过FPGA与外部扩展存储器之间的12位地址总线、16位数据总线,在存储控制模块的控制下,把样本数据写入扩展存储器。因此,把样本数据寄存器分为两部分,低16位为样本数据,高12位为该样本数据在外部扩展存储器的存储地址,如下所示。      第二,存储位置为FPGA的片上存储体。ARM与FPGA通过12位地址总线、28位数据总线中的低16位、控制总线直接相连,控制寄存器组、专用寄存器组、分布式存储器连接在这些总线上面。   片上集成存储系统采用统一编址的方式,其优势在于可以通过ARM芯片的DMA方式进行数据传输,既可以提高传输速率又能够释放CPU。外部扩展存储器因为只受FPGA控制而采用独立编址,但地址域的设计接续片上集成存储系统的地址,如此方便操作。   3 ZDMA控制设计   ARM端与FPGA端的数据通信如图8所示,分为3个阶段:   ① 网络初始化阶段的数据通信:配置网络初始化数据。a)需对网络训练执行阶段②,b)否则执行阶段③。   ② 网络训练阶段的通信:下载训练样本数据,训练完成上传稳定的权值。   ③ 实际应用阶段的通信:下载实际样本数据,上传处理结果。   每一个阶段都是在ZDMA的方式下进行。每一个阶段完成后都会进入中断,提示本阶段完成并进行下一步操作。   图8 数据通信阶段流程图   图8 数据通信阶段流程图   3.1 下载数据时ZDMA的配置   按照是否为样本数据,通信可分为两个阶段:一是面向FPGA片上集成存储系统的非样本数据通信,二是面向FPGA片外扩展存储器的样本数据通信。   本设计使用ZDMA0、ZDMA1两个通道中的一个。与ZDMA有关的特殊功能寄存器有:   ZDMA控制寄存器(①ZDCONn):主要用于对DMA通道进行控制,允许外部DMA请求(nXDREQ)。   ZDMA0/1初始源/目的地址和计数寄存器、ZDMA0/1当前源/目的地址和计数寄存器。   ZDMAn初始/当前源地址寄存器(②ZDISRC、③ZDCSRC):初始源地址为数据在ARM芯片内存的存放地址;当前源地址为即将传输的数据的内存地址,值为初始源地址+计数值。   ZDMAn初始/当前目的地址寄存器(④ZDIDES、⑤ZDCDES):分为两个阶段:第一阶段传输非样本数据时初始目的地址为BANK6的起始地址;当前目的地址是变化的,为初始目的地址+计数值。第二阶段传输样本数据时初始目的地址也是当前目的地址,为样本数据寄存器的地址。   ZDMAn初始/当前目的计数寄存器(⑥ZDICNT、⑦ZDCCNT):初始值为0,当前值随着传输数据的个数逐一递增,直至达到所有数据的数量。样本数据和非样本数据的传输分两个阶段进行,各自独立。   从这个过程中可以看出,配置ZDMA时需考虑FPGA端存储结构体多样性的问题。   3.2 上传数据时ZDMA的配置   神经网络处理器的稳定权值和处理结果存储在FPGA上统一编址的专用寄存器组B中,不存在存储结构体多样性的问题,所以上传数据时ZDMA的配置相对简单:   初始源地址即专用寄存器组B的起始地址,每传送一次数据专用寄存器组的地址指针+1并作为当前源地址。   初始目的地址为要存放数据的内存块的起始地址,每传送一次数据内存块地址指针+1并作为当前目的地址。   计数寄存器的初始值为0,每传送一次数据其值+1,达到设定的目标值时数据上传即完成。   结语   本文首先介绍了人工神经网络的模型和算法以及FPGA的实现,并通过对网络结构的分析设计了FPGA端的数据存储系统。然后分析了ARM端和FPGA端各自的功能,在此基础上把两者结合在一起,设计了一种利用ARM的ZDMA方式相互通信的方案。

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发表于 2018-02-10 02:53 189次阅读
ARM核心板在动态尿量监测仪中的应用案例详解

对ARM异常中断的集中情况进行总结,并给出了一些...

ARM单片机是大多数新手选择的入门切入点,但由于知识的不足,在设计过程中新手们经常会遇到这样或那样的...
发表于 2018-02-08 09:29 1129次阅读
对ARM异常中断的集中情况进行总结,并给出了一些...

学习ARM + Linux之前要讲解用ADS或R...

掌握 ARM 体系结构。ARM 是一种计算机,掌握其体系结构也就是掌握ARM的工作原理。在大学里一般...
发表于 2018-02-07 13:36 1183次阅读
学习ARM + Linux之前要讲解用ADS或R...

基于ARM9处理器的嵌入式Boa服务器的网络远程...

随着高科技技术逐渐融入到传统的农副业,温室培养已成为生产反季节作物的方式。介绍了基于S3C2410处...
发表于 2018-02-07 09:29 151次阅读
基于ARM9处理器的嵌入式Boa服务器的网络远程...

基于ARM芯片AT91RM9200的无线打印模块...

在ARM芯片AT91RM9200上构建了 无线打印模块 的硬件平台,在Android操作系统上完成了...
发表于 2018-02-07 09:09 203次阅读
基于ARM芯片AT91RM9200的无线打印模块...

基于ARM Cortex-M4核的低功耗MCU-...

NXP公司的LPCXpresso54628是基于ARM Cortex-M4核的低功耗MCU,具有丰富...
发表于 2018-02-06 16:23 372次阅读
基于ARM Cortex-M4核的低功耗MCU-...

英特尔前总裁推出全新芯片,欲打破Intel垄断的...

前英特尔总裁雷尼·詹姆斯运营的新芯片公司安培今天推出了一种全新的高效ARM服务器芯片。
发表于 2018-02-06 14:05 1596次阅读
英特尔前总裁推出全新芯片,欲打破Intel垄断的...

初次接触ARM需要搞清楚的ARM开发思路

做个最小系统板:如果从没有做过ARM的开发,建议一开始不要贪大求全,把所有的应用都做好,因为ARM的...
发表于 2018-02-06 08:41 1774次阅读
初次接触ARM需要搞清楚的ARM开发思路

ARM平台上运行Xen 可同时管理linux和V...

首先来看一下Xen的应用场景,然后我们朝着Zynq上进行延伸。风河刚刚发布了一篇博客,主要是描述在A...
发表于 2018-02-03 16:56 1074次阅读
ARM平台上运行Xen 可同时管理linux和V...

ARM S3C4510B系统的异常中断机制解析

本文介绍A了RM S3C4510B系统 的 异常中断 机制,包括异常中断的分类,响应与返回;中断处理...
发表于 2018-02-03 05:32 221次阅读
ARM S3C4510B系统的异常中断机制解析

基于ARM的数字调压控制系统的设计流程及实现方法...

随着电子信息技术和半导体技术的深入发展,嵌入式系统的应用日趋广泛,在控制领域之中更多的使用了高性能微...
发表于 2018-02-03 05:14 130次阅读
基于ARM的数字调压控制系统的设计流程及实现方法...

基于μC/OSII和ARM7 中断机制的IRQ中...

在嵌入式处理器芯片中,以 ARM7 为核心的处理器是应用较多的一种。它具有多种工作模式,并且支持两种...
发表于 2018-02-03 05:11 187次阅读
基于μC/OSII和ARM7 中断机制的IRQ中...

基于32位ARM STM32F103C8T6和传...

本文设计了一个以32位 ARM 微处理器STM32F103C8T6为控制核心,外加振动传感器和热释红...
发表于 2018-02-03 03:53 380次阅读
基于32位ARM STM32F103C8T6和传...

基于ARM处理器的高效异常处理解决方案

嵌入式系统要求对异常及中断处理器能快速响应。文中分析了ARM体系结构下 异常处理 特点,提出一种基于...
发表于 2018-02-03 03:38 104次阅读
基于ARM处理器的高效异常处理解决方案

解析ARM语音识别系统

语音辨认单元担任辨认操作人员的操作口令;声强检测单元担任检测声强巨细并以此作为判别是哪台从设备操作人...
发表于 2018-02-02 20:30 403次阅读
解析ARM语音识别系统

智能手机搭载 ARM 处理器优化性能

几乎所有智能手机都已经搭载了 ARM 处理器,性能提升达100倍。想想看,短短七年的时间,100 倍...
发表于 2018-02-01 01:39 174次阅读
智能手机搭载 ARM 处理器优化性能

ARM Powered 助你换一种方式打开世界,...

在异度空间与外星人展开地球保卫战,或是身披铠甲骑着独角兽穿梭在奇幻森林,亦或是步履蹒跚在雪山荒野间绝...
发表于 2018-02-01 01:22 111次阅读
ARM Powered 助你换一种方式打开世界,...

智能驾培驾考终端的三个发展阶段介绍

国内车祸70%以上在于新手未经有效技能培训及理论学习,智能化驾考则从源头上消除人为因素对考试结果的影...
发表于 2018-02-01 01:11 162次阅读
智能驾培驾考终端的三个发展阶段介绍

数据总线宽度:对齐的含义和怎样去对齐以及带来的效...

最近和同事谈到了ARM平台下数据总线宽度及对齐方式对程序效率的影响问题,在定义结构数据类型时,为了提...
发表于 2018-01-30 09:34 1425次阅读
数据总线宽度:对齐的含义和怎样去对齐以及带来的效...

解析J-Link、J-Trace、Open JT...

J-Link、J-Trace、Open JTAG都是用来调试程序的(当然还有其他工具可以进行调试,比...
发表于 2018-01-30 09:29 539次阅读
解析J-Link、J-Trace、Open JT...

ARM紧耦合内存简介及配置

TCM简介 TCM :TIghtly Coupled Memory的缩写。为了弥补Cache访问的不...
发表于 2018-01-26 12:15 97次阅读
ARM紧耦合内存简介及配置

工业领域用ARM还是X86?看完全懂了

工业4.0快速发展,ARM处理器的应用也越来越广泛,是什么让ARM处理器在工业领域分掉X86的那杯羹...
发表于 2018-01-26 12:00 441次阅读
工业领域用ARM还是X86?看完全懂了

基于ARM和DS1307的实时时钟系统设计

DS1307是I2C接口的8引脚实时时钟芯片,片内含有8个特殊功能寄存器和56bit的SRAM。它是...
发表于 2018-01-26 10:01 214次阅读
基于ARM和DS1307的实时时钟系统设计

十大巨头们对边缘计算采取的布局解析

边缘计算通过数据分析处理赋予了物与物传感、交互的能力,来看英特尔、华为、中科创达等行业巨头如何布局。
发表于 2018-01-25 18:16 1059次阅读
十大巨头们对边缘计算采取的布局解析

介绍如何通过意法的STM32 MCU实现用DMA...

在嵌入式产品中有时候需要实现对外部的模拟量进行采样处理和记录,而这就需要使用到ADC功能,将外部的模...
发表于 2018-01-24 15:41 1460次阅读
介绍如何通过意法的STM32 MCU实现用DMA...

NPU的简介以及Kirin 970的NPU的性能...

去年,华为推出了业界首款集成NPU的移动芯片Kirin 970。作为新一代的旗舰,这个SoC上面的C...
发表于 2018-01-24 14:32 1377次阅读
NPU的简介以及Kirin 970的NPU的性能...

基于总线传递数据的2种形式PIO、DMA的解析

总线上的数据的传递有两种形式。一种为程控输入/输出(PIO)另一种为直接存储器访问(DMA)。
发表于 2018-01-24 10:48 1023次阅读
基于总线传递数据的2种形式PIO、DMA的解析

解析C语言与ARM汇编与的相互调用以及与 C++...

全局变量只能通过地址间接调用,为了访问C++语言中全局变量,首先要通过extern伪指令引入全局变量...
发表于 2018-01-23 10:29 874次阅读
解析C语言与ARM汇编与的相互调用以及与 C++...

介绍初次接触ARM开发应该从哪几方面来理清开发思...

由于涉及编程,学习ARM单片机系统对于从事电子电路的设计者来说是有些困难的,学习知识不难,难的是理清...
发表于 2018-01-21 10:20 973次阅读
介绍初次接触ARM开发应该从哪几方面来理清开发思...

如何成为嵌入式高手的学习路线解析

了解linux系统;区分各种版本的Linux系统,以便于拓展 Linux视野。 1、Linux...
发表于 2018-01-19 11:01 3143次阅读
如何成为嵌入式高手的学习路线解析

一文读懂人工智能产业链

人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI,是研究、开发用于模拟、延...
发表于 2018-01-19 08:56 2615次阅读
一文读懂人工智能产业链

将TVM用于移动端常见的ARM GPU,提高移动...

随着深度学习不断取得进展,开发者们对在移动设备上的部署神经网络的需求也与日俱增。和我们之前在桌面级G...
发表于 2018-01-18 13:38 1092次阅读
将TVM用于移动端常见的ARM GPU,提高移动...

基于ARM7 LPC21xx开发存储测试系统的方...

存储测试技术是在特殊环境下记录运动物体参数的最有效的手段。本文介绍了基于ARM7 LPC21xx开发...
发表于 2018-01-18 09:07 142次阅读
基于ARM7 LPC21xx开发存储测试系统的方...

三星Exynos9810荣获CES2018创新奖...

据报道,三星获得了今年的CES2018创新奖,主要获奖产品就是被称为是三星至强的Exynos 981...
发表于 2018-01-17 15:10 249次阅读
三星Exynos9810荣获CES2018创新奖...

ARM CEO谈芯片漏洞 绝对安全达不到 漏洞可...

芯片漏洞是这段时间科技圈的重要关注点,近日,ARM CEO大谈芯片漏洞问题,向外表示没有绝对安全,芯...
发表于 2018-01-17 15:10 178次阅读
ARM CEO谈芯片漏洞 绝对安全达不到 漏洞可...