發(fā)布時間：2020-12-23 08:13

　　計算神經(jīng)科學是神經(jīng)科學研究的重要方法之一,通過建立神經(jīng)元網(wǎng)絡的生物物理模型對其特性與結構進行研究。為滿足大規(guī)模神經(jīng)元網(wǎng)絡仿真的需要,以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)進行硬件仿真已經(jīng)成為目前計算神經(jīng)科學研究的主要方向之一。由于神經(jīng)元網(wǎng)絡的特性和結構十分復雜,傳統(tǒng)的神經(jīng)元網(wǎng)絡片上仿真模型無法實現(xiàn)其動態(tài)的特性與功能。本文提出將片上網(wǎng)絡(NoC)引入到神經(jīng)元網(wǎng)絡的FPGA實現(xiàn)中,利用路由尋址的方式實現(xiàn)神經(jīng)元網(wǎng)絡復雜的通訊功能,并通過FPGA內(nèi)部狀態(tài)機控制來實現(xiàn)神經(jīng)元網(wǎng)絡的動態(tài)仿真效果。本文提出了一種通過FPGA芯片實現(xiàn)的動態(tài)功能神經(jīng)元網(wǎng)絡的NoC架構。根據(jù)神經(jīng)元網(wǎng)絡的內(nèi)部結構與特性選取合適的NoC拓撲結構與路由算法,將神經(jīng)元網(wǎng)絡中的信息傳遞過程轉(zhuǎn)化為計算機網(wǎng)絡中的路由尋址過程,將單個神經(jīng)元作為網(wǎng)絡的IP核對信息進行處理,加入路由器對數(shù)據(jù)包的傳輸路徑進行決策,再通過有限狀態(tài)機完成多個通訊狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與控制,實現(xiàn)神經(jīng)元網(wǎng)絡的動態(tài)通信功能。針對神經(jīng)元網(wǎng)絡中大量存在的非線性運算問題,本文提出了一種改進的旋轉(zhuǎn)坐標算法(CORDIC)。改進的CORDIC算法通過區(qū)間壓縮法對傳統(tǒng)CORDIC算法的收斂域進行擴展... 

【文章來源】：天津大學天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：70 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

基于狀態(tài)機控制的動態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡NoC架構圖

第2章基于狀態(tài)機控制的動態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡NoC架構11這四層結構相互配合可以實現(xiàn)大多數(shù)神經(jīng)元網(wǎng)絡內(nèi)部較復雜的動態(tài)功能，也可以與FPGA周邊設備配合實現(xiàn)神經(jīng)元網(wǎng)絡與外部信號的信息交互功能。因此該架構具有很強的可移植性與實時性。本章后幾節(jié)將會對NoC與路由算法、狀態(tài)機控制模塊和IP核線性化算法進行詳細介紹。2.2NoC的結構與算法NoC作為神經(jīng)元網(wǎng)絡通信的基礎，將計算機網(wǎng)絡科學與生物神經(jīng)元網(wǎng)絡相結合，并在高性能的FPGA芯片上實現(xiàn)，可以很好的發(fā)揮FPGA的并行工作特性與NoC的高帶寬通訊能力。NoC在實現(xiàn)生物神經(jīng)元網(wǎng)絡時需要關注兩點問題，NoC自身的拓撲結構與NoC的路由尋址算法，只有將這二者與神經(jīng)元網(wǎng)絡緊密結合，才可以更好的完成神經(jīng)元網(wǎng)絡的復雜通訊功能。2.2.1NoC結構片上網(wǎng)絡（NetworkonChip，NoC）的本質(zhì)是在單片上搭建一種適用于多核系統(tǒng)的且模塊或節(jié)點之間延遲較小的高性能通信網(wǎng)絡。如今最為常見的NoC包括Mesh型片上網(wǎng)絡、Torus型片上網(wǎng)絡、Spin型片上網(wǎng)絡、BFT型片上網(wǎng)絡等等，NoC的基礎結構如圖2-2所示[41]。圖2-2NoC拓撲結構模型圖

第2章基于狀態(tài)機控制的動態(tài)神經(jīng)元網(wǎng)絡NoC架構15結構和信息傳輸方式的困擾。有限狀態(tài)機的效率高，應用廣，算法簡單，便于驗證，使其在動態(tài)NoC中具有極大的應用空間。圖2-3以一個包含四個神經(jīng)元的神經(jīng)元網(wǎng)絡的狀態(tài)機控制模型為例，來介紹有限狀態(tài)機在神經(jīng)元網(wǎng)絡中的工作原理。圖2-3神經(jīng)元網(wǎng)絡狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2-3所示，A1、A2、B1和B2代表兩層中的四個神經(jīng)元模型，神經(jīng)元之間通過四條鏈路相互連接，黑色代表鏈路中無神經(jīng)信號傳輸，紅色為鏈路中有神經(jīng)信號傳輸。整個狀態(tài)機有四個狀態(tài)，分別為IDLE，S1，S2和S3，每一個都對應神經(jīng)元網(wǎng)絡的一種通訊方式。觸發(fā)條件包括A，B，C，D，E，F(xiàn)，G和H。系統(tǒng)開始時，狀態(tài)機處于初始狀態(tài)IDLE，神經(jīng)元網(wǎng)絡無信號傳輸；A條件使狀態(tài)機保持初始IDLE狀態(tài)；B條件使狀態(tài)機進入第一個工作狀態(tài)S1，此時神經(jīng)元網(wǎng)絡中A1向B1傳輸信號，A2向B2傳輸信號；C條件在S1狀態(tài)有效，使狀態(tài)機返回初始IDLE狀態(tài)；而D條件則表征S1階段完成，神經(jīng)元網(wǎng)絡進入S2通信狀態(tài)，此時A1與B2通信，A2與B1通信；在S2階段，E使得系統(tǒng)再一次回到初始狀態(tài)，而F使得系統(tǒng)進入下一階段，S3狀態(tài)，此時A1和A2都與B1進行通信；在S3階段，G讓狀態(tài)機返回S2階段，而H表示狀態(tài)機運行完成，系

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]有限狀態(tài)機的Verilog設計與研究[J]. 俞莉瓊,付宇卓.  微電子學與計算機. 2004(11)
[4]視網(wǎng)膜雙極細胞的突觸傳遞[J]. 許紅平,楊雄里.  生理科學進展. 2001(03)
[5]計算神經(jīng)科學[J]. 郭愛克.  科學. 1993(04)
[6]視網(wǎng)膜神經(jīng)網(wǎng)絡的信息傳遞[J]. 陳德茂.  生物化學與生物物理進展. 1979(02)

碩士論文
[1]視網(wǎng)膜信息處理模型的建立[D]. 裴智軍.天津醫(yī)科大學 2011
[2]一種改進的BFT型片上網(wǎng)絡拓撲結構及路由算法研究[D]. 周文科.湖南大學 2011



本文編號：2933373