神級(jí)經(jīng)典設(shè)計(jì)案例：用ARM和FPGA搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器通信方案

　　2.2硬件連接

　　從上面的介紹容易發(fā)現(xiàn)，ARM芯片的通信對(duì)象是基于SRAM工藝的FPGA芯片上的存儲(chǔ)體。因此，FPGA芯片作為存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，ARM芯片可直接與其相連。ARM與FPGA硬件連接示意圖如圖6所示。

　　圖6 ARM與FPGA硬件連接示意圖

　　ARM與FPGA的片上存儲(chǔ)體的地址總線(xiàn)連接設(shè)置為12位，足夠存儲(chǔ)和尋址需求。

　　數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度為28位。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的數(shù)據(jù)精度為16位[4]，F(xiàn)PGA樣本數(shù)據(jù)寄存器還有12位外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的地址數(shù)據(jù)，因此整個(gè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度為二者之和。除樣本數(shù)據(jù)寄存器之外的片上存儲(chǔ)體，數(shù)據(jù)線(xiàn)占用28位數(shù)據(jù)總線(xiàn)中的低16位。

　　控制總線(xiàn)包括ARM端的片選線(xiàn)nGCS6和讀/寫(xiě)控制線(xiàn)。對(duì)ARM相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置可激活BANK6(FPGA片上存儲(chǔ)體)和讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的不同，硬件連接可分成兩方面。如圖7所示。

　　圖7 FPGA端部分硬件連接示意圖

　　3 ZDMA控制設(shè)計(jì)

　　ARM端與FPGA端的數(shù)據(jù)通信如圖8所示，分為3個(gè)階段：

　?、倬W(wǎng)絡(luò)初始化階段的數(shù)據(jù)通信：配置網(wǎng)絡(luò)初始化數(shù)據(jù)。a)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練執(zhí)行階段②，b)否則執(zhí)行階段③。

　　②網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練階段的通信：下載訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，訓(xùn)練完成上傳穩(wěn)定的權(quán)值。

　?、蹖?shí)際應(yīng)用階段的通信：下載實(shí)際樣本數(shù)據(jù)，上傳處理結(jié)果。

　　每一個(gè)階段都是在ZDMA的方式下進(jìn)行。每一個(gè)階段完成后都會(huì)進(jìn)入中斷，提示本階段完成并進(jìn)行下一步操作。

　　圖8 數(shù)據(jù)通信階段流程圖

　　3.1下載數(shù)據(jù)時(shí)ZDMA的配置

　　按照是否為樣本數(shù)據(jù)，通信可分為兩個(gè)階段：一是面向FPGA片上集成存儲(chǔ)系統(tǒng)的非樣本數(shù)據(jù)通信，二是面向FPGA片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的樣本數(shù)據(jù)通信。

　　本設(shè)計(jì)使用ZDMA0、ZDMA1兩個(gè)通道中的一個(gè)。與ZDMA有關(guān)的特殊功能寄存器有：

　　ZDMA控制寄存器(①ZDCONn)：主要用于對(duì)DMA通道進(jìn)行控制，允許外部DMA請(qǐng)求(nXDREQ)。

　　ZDMA0/1初始源/目的地址和計(jì)數(shù)寄存器、ZDMA0/1當(dāng)前源/目的地址和計(jì)數(shù)寄存器。

　　ZDMAn初始/當(dāng)前源地址寄存器(②ZDISRC、③ZDCSRC)：初始源地址為數(shù)據(jù)在ARM芯片內(nèi)存的存放地址;當(dāng)前源地址為即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的內(nèi)存地址，值為初始源地址+計(jì)數(shù)值。

　　ZDMAn初始/當(dāng)前目的地址寄存器(④ZDIDES、⑤ZDCDES)：分為兩個(gè)階段：第一階段傳輸非樣本數(shù)據(jù)時(shí)初始目的地址為BANK6的起始地址;當(dāng)前目的地址是變化的，為初始目的地址+計(jì)數(shù)值。第二階段傳輸樣本數(shù)據(jù)時(shí)初始目的地址也是當(dāng)前目的地址，為樣本數(shù)據(jù)寄存器的地址。

　　ZDMAn初始/當(dāng)前目的計(jì)數(shù)寄存器(⑥ZDICNT、⑦ZDCCNT)：初始值為0，當(dāng)前值隨著傳輸數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)逐一遞增，直至達(dá)到所有數(shù)據(jù)的數(shù)量。樣本數(shù)據(jù)和非樣本數(shù)據(jù)的傳輸分兩個(gè)階段進(jìn)行，各自獨(dú)立。

　　從這個(gè)過(guò)程中可以看出，配置ZDMA時(shí)需考慮FPGA端存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體多樣性的問(wèn)題。

　　3.2上傳數(shù)據(jù)時(shí)ZDMA的配置

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的穩(wěn)定權(quán)值和處理結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA上統(tǒng)一編址的專(zhuān)用寄存器組B中，不存在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體多樣性的問(wèn)題，所以上傳數(shù)據(jù)時(shí)ZDMA的配置相對(duì)簡(jiǎn)單：

　　初始源地址即專(zhuān)用寄存器組B的起始地址，每傳送一次數(shù)據(jù)專(zhuān)用寄存器組的地址指針+1并作為當(dāng)前源地址。

　　初始目的地址為要存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存塊的起始地址，每傳送一次數(shù)據(jù)內(nèi)存塊地址指針+1并作為當(dāng)前目的地址。

　　計(jì)數(shù)寄存器的初始值為0，每傳送一次數(shù)據(jù)其值+1，達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值時(shí)數(shù)據(jù)上傳即完成。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文首先介紹了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型和算法以及FPGA的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)了FPGA端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。然后分析了ARM端和FPGA端各自的功能，在此基礎(chǔ)上把兩者結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一種利用ARM的ZDMA方式相互通信的方案。

　　第一，存儲(chǔ)位置為FPGA端的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。①ARM與FPGA通過(guò)12位地址總線(xiàn)、28位數(shù)據(jù)總線(xiàn)及控制總線(xiàn)直接相連，數(shù)據(jù)寫(xiě)入樣本數(shù)據(jù)寄存器。②樣本數(shù)據(jù)寄存器的28位數(shù)據(jù)按照12位地址數(shù)據(jù)、16位樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)FPGA與外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器之間的12位地址總線(xiàn)、16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，在存儲(chǔ)控制模塊的控制下，把樣本數(shù)據(jù)寫(xiě)入擴(kuò)展存儲(chǔ)器。因此，把樣本數(shù)據(jù)寄存器分為兩部分，低16位為樣本數(shù)據(jù)，高12位為該樣本數(shù)據(jù)在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址，如下所示。

　　第二，存儲(chǔ)位置為FPGA的片上存儲(chǔ)體。ARM與FPGA通過(guò)12位地址總線(xiàn)、28位數(shù)據(jù)總線(xiàn)中的低16位、控制總線(xiàn)直接相連，控制寄存器組、專(zhuān)用寄存器組、分布式存儲(chǔ)器連接在這些總線(xiàn)上面。

　　片上集成存儲(chǔ)系統(tǒng)采用統(tǒng)一編址的方式，其優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)ARM芯片的DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，既可以提高傳輸速率又能夠釋放CPU.外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器因?yàn)橹皇蹻PGA控制而采用獨(dú)立編址，但地址域的設(shè)計(jì)接續(xù)片上集成存儲(chǔ)系統(tǒng)的地址，如此方便操作。