神級經典設計案例：用ARM和FPGA搭建神經網絡處理器通信方案

　　引言

　　人工神經網絡在很多領域得到了很好的應用，尤其是具有分布存儲、并行處理、自學習、自組織以及非線性映射等特點的網絡應用更加廣泛。嵌入式便攜設備也越來越多地得到應用，多數是基于ARM內核及現場可編程門陣列FPGA的嵌入式應用。某人工神經網絡的FPGA處理器能夠對數據進行運算處理，為了實現集數據通信、操作控制和數據處理于一體的便攜式神經網絡處理器，需要設計一種基于嵌入式ARM內核及現場可編程門陣列FPGA的主從結構處理系統滿足要求。

　　1人工神經網絡處理器

　　1.1人工神經網絡模型

　　人工神經網絡是基于模仿大腦功能而建立的一種信息處理系統。它實際上是由大量的、很簡單的處理單元(或稱神經元)，通過廣泛的互相連接而形成的復雜網絡系統。最早的神經元模型是MP模型，由輸入X、連接權值W和閾值θ、激活函數f和輸出O組成，如圖1所示。

　　圖1人工神經元的MP模型

　　神經元j的輸出為：

　　式中：netj是神經元j的凈輸入，xi是神經元j的輸入，wij是神經元i到神經元j的權值，θj是神經元j的閾值，f()是神經元凈輸入和輸出之間的變換函數，稱為激活函數。[1]

　　后來的各種網絡模型基本都由這幾個因素構成，例如圖2的三層BP神經網絡模型。

　　圖2三層BP神經網絡模型

　　三層BP網絡的標準學習算法如下[2]，當網絡輸出與期望輸出不等時，存在輸出誤差E，定義如下：

　　容易看出，各層權值調整公式均由3個因素決定，即學習率η、本層輸出的誤差信號δ以及本層出入信號Y(或X)。其中，輸出層誤差信號與網絡的期望輸出與實際輸出之差有關，直接反映了輸出誤差，而各隱層的誤差信號與前面各層的誤差信號都有關，是從輸出層開始逐層反傳過來的。

　　神經網絡的訓練學習的過程就是通過不斷地調整各個節點的權值，使輸出誤差達到最小，最終獲得穩定可靠的權值，實現網絡的預定功能。

　　1.2人工神經網絡的FPGA實現

　　算法公式實際隱含著各種運算過程，乘累加計算、激活函數及其導數的計算和邏輯運算是3種必不可少的運算，因此FPGA的實現主要是各種運算器的設計和連接。處理器要處理各種類型的數據，樣本數據X(訓練樣本、實際樣本)，網絡參數(學習速率η、每層神經元個數n等)和權值W是必不可少的。網絡參數和初始權值用來對網絡初始化，訓練樣本用來訓練網絡學習，最后在網絡應用階段對實際樣本進行處理。

　　圖3神經網絡的運算模塊和數據存儲結構圖

　　圖3展示的是FPGA神經網絡處理器的主體部分：存儲模塊和運算模塊。根據網絡的結構特點，連接權值處于各個神經元節點的連接處，與各自的權值運算結構一一對應，為分布式，所以分布式存儲器WM中存儲權值數據;樣本數據統一從網絡的輸入層進入網絡，故DM中存儲樣本數據;MAE是處理器的運算部分。

　　2通信硬件設計

　　2.1系統整體架構

　　系統整體結構框圖如圖4所示，分為ARM端和FPGA端兩個部分。ARM端有兩個功能：一是從內存中讀取已有數據，通過DMA方式下載到FPGA端，按照數據類型將數據下載到不同的存儲設備和存儲空間;二是對FPGA進行控制，主要是各種中斷操作。FPGA端的功能是接收ARM傳送的數據，存儲數據，并在微程序控制器的控制下進行運算處理，最后把結果上傳給ARM.

　　圖4系統整體結構框圖

　　ARM端以S3C44B0X芯片為核心，外部擴展各類設備構成。S3C44B0X是三星公司的16/32位微處理器，片內集成了ARM7TDMI核，并在此基礎上集成了豐富的外圍功能模塊，為嵌入式設備提供一個低成本高性能的方案。

　　S3C44B0X擁有4通道的DMA控制器，兩個ZDMA，連接于SSB(三星系統總線);另外兩個BDMA，連接在SSB和SPB(三星外圍總線)之間的接口層。其中ZDMA可從存儲器到存儲器、存儲器到I/O設備和I/O設備到存儲器傳送數據。DMA操作由S/W或來自外部請求引腳(nXDREQ0/1)的請求來啟動。[3]

　　在DMA操作中，通過配置DMA特殊功能寄存器來實現對DMA的控制，如圖5所示。

　　圖5 ZDMA控制器框圖

　　FPGA端的組成為FPGA芯片和擴展存儲器。按處理數據類型的不同設計不同的存儲結構，具體如下所列。神經網絡的結構參數存放于控制寄存器組，初始權值、穩定權值存放于分布式存儲器，其他參數(學習速率、學習速率調整因子等)存放于專用寄存器組A中，處理結果存放于專用寄存器組B中，樣本數據存放于擴展存儲器SD卡中。

　　以上所述的存儲體，除擴展存儲器外其他結構都在FPGA芯片內部設計完成。采用這種設計是基于FPGA片上存儲資源的使用情況：①FPGA的配置文件占用;②分布式存儲器占用;③各類寄存器組占用。當樣本數據數量較大時會占用比較大的空間，FPGA芯片將不能滿足，因此不能把樣本數據存儲在片上，而是存儲于擴展存儲器。