[發明專利]基于Zynq開發平臺構建LS-SVM模型的加速計算片上系統

在審

• 申請號: 201510245952.4
• 申請日: 2015-05-14
• 公開（公告）號: CN104850529A
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發明（設計）人: 王少軍;王曉璐;馬寧;劉大同;彭宇;彭喜元
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F15/76
• 分類號: G06F15/76
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種構建LS-SVM模型的加速計算片上系統。

背景技術

復雜系統的故障預測和健康管理獲得越來越多地重視，并廣泛應用于電子、汽車、航空航天、通信系統及圖像處理等領域。大量系統健康管理的研究工作證明，系統的狀態數據絕大多數是典型的時間序列，而機器學習算法是時間序列研究過程中應用的主要方法，LS-SVM作為機器學習的一種，廣泛應用于航空航天器系統的健康管理。

針對無人飛行器這種特殊的航天器系統，因受飛行條件、飛行空間的約束，不得不選取低功耗、體積小、重量輕的健康管理平臺，嵌入式平臺憑借自身的優勢可以滿足應用的需求。隨著片上系統SoC(System-on-a-chip)的發展，逐漸發展為異構多核處理器系統HMPSoC(Heterogeneous?Multi-core?Processor?SoC)，應用這種系統結構完成嵌入式SoC上的高性能計算，不僅可以解決單片FPGA面對高計算復雜度算法存在的計算任務調度問題，同時，可以充分發揮通用處理器編程簡單、設計靈活的優勢。Zynq開發平臺是Xilinx公司推出的異構SoC平臺，它為嵌入式高性能計算研究提供了軟硬件協同設計的平臺。

目前，系統健康管理方面的研究較多的局限于算法的軟件實現和仿真，算法較慢的訓練速度限制了其在實際中的應用，因此必須開展算法的硬件加速計算研究。

目前在異構SoC?Zynq開發平臺上實現硬件加速的設計較少，并且沒有一種有效的基于Zynq開發平臺構建LS-SVM模型的加速計算片上系統。

發明內容

本發明為了解決目前還沒有一種有效的基于Zynq開發平臺構建LS-SVM模型的加速計算片上系統的問題。

基于Zynq開發平臺構建LS-SVM模型的加速計算片上系統，主要包括下述模塊：

DDR外部存儲模塊，用于存儲LS-SVM模型處理的原始數據、中間數據及最后結果；

處理器系統Processing?System模塊，簡稱PS模塊，用于對原始數據的預處理及實現LS-SVM模型中的核函數計算過程，形成核函數矩陣，并將正定對稱的核函數矩陣進行存儲；

可編程邏輯Programmable?Logic模塊，簡稱PL模塊，用于LS-SVM模型中線性方程組的求解，負責從DDR外部存儲模塊讀取正定對稱矩陣的值，進行矩陣分解并實現求逆過程，最終將喬里斯基分解得到的下三角陣存儲在DDR外部存儲模塊中，并根據分解得到的下三角陣求出LS-SVM模型系數；

AXI總線模塊，用于PS模塊與PL模塊之間的信息傳輸。

本發明充分發揮Zynq開發平臺異構的優勢，展開對LS-SVM加速計算方法，采用軟硬件協同設計技術，主要解決了異構SoC平臺上的計算任務劃分問題，同時，設計了基于Zynq?SoC的片上系統結構以及線性方程組求解的數據通路，將任務調度、核函數計算和模型預測由處理器系統Processing?System模塊實現；將數據預處理和線性方程組的求解由可編程邏輯Programmable?Logic模塊實現，主要在于可編程邏輯Programmable?Logic模塊可以進行大量的并行操作；最終，基于高層次綜合HLS開發方式實現LS-SVM模型的加速計算。

本發明的設計同時使用ARM處理器和可編程邏輯，充分發揮軟硬件各自的優勢，從而提高計算效率；同時，計算過程中的線性方程組的求解采用Submatrix-Cholesky分解方式，實現數據的規律訪存，并且數據傳輸過程采用DMA的傳輸方式，大大提高了數據的傳輸速度，從而使計算效率進一步提高，達到加速計算的目的。

本發明除完成異構SoC平臺上的加速計算設計外，通過合理的軟硬件劃分，并根據Submatrix-Cholesky分解方法設計了合理的數據通路，探索了一種在異構SoC架構下的軟硬件協同設計方法，為其他異構平臺下的開發設計提供參考和借鑒。

附圖說明

圖1為本發明原理示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1說明本實施方式，基于Zynq開發平臺構建LS-SVM模型的加速計算片上系統，主要包括下述模塊：

DDR外部存儲模塊，用于存儲LS-SVM模型處理的原始數據、中間數據及最后結果；

處理器系統Processing?System模塊，簡稱PS模塊，用于對原始數據的預處理及實現LS-SVM模型中的核函數計算過程，形成核函數矩陣，并將正定對稱的核函數矩陣進行存儲；