神级经典设计案例：用ARM和FPGA搭建神经网络处理器通信方案

　　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

　　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

　　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：

　　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

　　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

　　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。