基于RISC-V和可重构智能加速核的异构SoC系统设计

提出了可重构智能加速核架构,并设计了可重构激活函数乘累加单元(ACT-MAC),旨在提高低功耗约束下的运算资源利用率。加速核基于ACT-MAC设计了可重构计算阵列,支持卷积、池化、长短期记忆网络(LSTM)及激活函数等算法的硬件加速。加速核采用乒乓流水线设计,优化了存储分配,显著提升了数据处理效率。该加速核通过协处理器指令拓展(NICE)接口与开源RISC-V处理器集成,形成了完整的片上系统(So C)。该设计在Nexys Video可编程逻辑门阵列(FPGA)中实现了芯片原型,并在其上部署了LeNet、VGG16和LSTM网络,展示了该So C原型芯片在图像分类和语义识别等领域的应用潜力。与最近的工作相比,该设计在提升数字信号处理(DSP)效率并维持高能效比的同时,支持多种人工智能算法的硬件加速,展现了在嵌入式应用场景中的广阔应用前景。

基于RISC-V架构的行人定位SoC系统设计

行人定位方法中,捷联式惯导定位系统需要处理惯性测量单元(IMU)传感器的数据,通过算法处理后得到行人的位置,因此对于芯片实时性以及低功耗有很高的要求。由于行人定位算法大多基于浮点传感器数据开发,一般要求终端设备能够处理浮点数据。第五代精简指令集(RISC-V)架构作为一种开源架构,能节约架构授权费,在物联网领域有着广泛应用,并且其浮点(F)和向量(V)等高性能扩展指令能够很好地满足行人定位算法对实时性的要求。针对行人定位系统的特定性能要求,提出了一种基于浮点内核向量处理器优化RISC-V架构的行人定位片上系统(SoC),并在实际系统中进行验证。与多个准32位架构RISC-V处理器以及高层次综合组件(HLS)生成的算法专用IP(locate_IP)的标准处理器方案的性能对比分析表明,该设计实现了34倍的性能提升以及5.6倍的能效提升,满足了微终端的要求。

BPM Architecture Design Based on Cloud Computing

Cloud Computing has become one of the popular buzzwords in the IT area after Web2.0. This is not a new technology, but the concept that binds different existed technologies altogether including Grid Computing, Utility Computing, distributed system, virtualization and other mature technique. Business Process Management (BPM) is designed for business management using IT infrastructure to focus on process modeling, monitor and management. BPM is composed of business process, business information and IT resources, which help to build a real-time intelligent system, based on business management and IT technologies. This paper describes theory on Cloud Computing and proposes a BPM implement on Cloud environments.

基于增量学习相关向量机的锂离子电池SOC预测方法

针对锂离子电池荷电状态(SOC)预测精度不高以及在线适应性差的问题,提出一种改进的增量学习相关向量机模型对锂离子电池SOC 进行在线预测。选择锂离子电池电压、充放电电流和表面温度作为模型的输入,SOC 作为模型的输出,构造模型的训练集。选用快速序列稀疏贝叶斯学习算法进行训练,并结合增量学习法建立增量学习相关向量机模型进行锂离子电池SOC在线预测方法研究。研究发现,通过自动调整核参数的方法,可以保证有较高的预测精度。算法验证实验表明,核参数可以控制算法的预测精度和计算效率,该算法预测精度高、计算速度快、通用性强,可为锂离子电池SOC 的预测与应用提供参考。

改进安时法结合神经网络估算锂离子电池SOC

采用BP神经网络对库仑效率进行训练并预测,将预测得到的库仑效率代入改进安时(AH)算法,再基于Moto Hawk进行设计,应用于地铁应急牵引电池组管理系统。以952国产A车为试验对象,结合实际运行情况对荷电状态(SOC)进行估算和分析。试验结果表明,所采用的方法比传统AH法估算精度误差提高4.9%。

基于SystemC的SoC行为级软硬件协同设计

针对目前SoC设计中存在的软硬件协同验证的时间瓶颈问题,提出了一种使用系统建模语言SystemC对SoC进行总线周期精确行为级建模的方法,采用该方法构建SoC芯片总线周期精确行为级模型进行前期验证。该模型基于32位RISC构建,并可配置其它硬件模块。实验结果表明:模型完全仿真实际硬件电路,所有的接口信号在系统时钟的任一时刻被监测和分析,很大程度地提高了仿真速度,并且可以在前期作系统的软硬件协同仿真和验证,有效地缩短了目前SoC芯片设计中在RTL级作软硬件协同仿真验证时的时间开销。

一种面向安全SOC的可信体系结构

提出了面向安全SOC的可信体系结构,以解决其面临的诸多安全问题,可信体系结构的核心是安全域划分和安全审核硬件单元.安全域包括可信基、安全OS、可信应用以及非可信应用,各不同安全域具有静态和动态隔离性;安全SOC中的安全规则最终由安全审核单元在硬件层面来保障.在可信体系结构基础上,讨论了怎样进行安全扩展以获得更全面的安全性,即抗旁路攻击、物理攻击、防止芯片被复制伪造以及因被盗而造成安全危害.

基于SOC单片机的频率特性测试仪设计

测量仪器正朝着数字化、智能化、虚拟化方向发展,介绍了利用SOC单片机开发DF4812频率特性测试仪;这是一种用来测量诸如低频放大器、声学器件、各种滤波器及其它有源或无源四端网络的"幅度-频率"特性曲线的虚拟仪器,该仪器由下位机(主机)和上位机(PC机)两大部分组成,通过打印机接口进行通信;重点讨论了系统模拟数字混合(SOC)单片机及编程,系统的外围硬件主要包括信号直接数字合成器(DDS)、大规模可编程逻辑电路(CPLD)、对数放大器等电路;系统经过测试,达到了预期的设计目标,系统产品化后,取得了相当好的经济效益。

高精度高灵敏人机交互手势控制算法与SOC芯片

阐述了一种应用于人机交互领域的手势控制算法和片上系统（SOC）芯片设计。手势控制系统基于单摄像头与主动式红外补光方法,通过目标区域提取和特定姿势识别等核心算法,实现了对各类人机交互手势的高效识别。采用目标区域提取算法与主动式红外投影,通过伽马变换、干扰去除等操作实现输入图像的预处理,从而确定手掌所在位置。为了高效判别手势,该手势识别算法采用自适应的采样线方案,根据手掌与传感器之间的距离,自动确定采样线的位置、距离、数目等信息。该SOC芯片全集成所有功能模块,通过55 nm低功率（LP）工艺流片,芯片面积为4 148μm×5148μm,总体功耗88 mW,可以实现视场范围大于600 mm×600 mm×600 mm、判别精度不大于1 mm、分辨率不大于1 mm/像素,适用于人机交互手势控制应用。

滤波技术在蓄电池SOC估计中的应用

文章针对蓄电池SOC估计精度不高且实时显示效果不佳问题,提出了一种基于卡尔曼滤波技术的SOC估计方法。首先建立了蓄电池等效电路模型,该模型具有建模蓄电池容量和伏安特性功能,其次基于等效电路模型建立了蓄电池状态方程,选取SOC作为内部状态变量,通过测量终端电压和滤波技术求出SOC的最真递归解。最后选择蓄电池的真实放电数据对该方法进行验证,结果表明该方法具有估计精度高,实时显示效果好的优点。

移动操作SoC接口IP组件设计

移动操作或移动计算(mobil ecomputing)是嵌入式系统研究的一个重要方向。为移动操作设计的SoC(System on a Chip)既具有理论意义,更拥有实际应用的价值。和任何SoC的设计一样,移动操作SoC也需要设计各种相应的IP组件。本文描述了采用可编程器件进行移动操作SoC外部接口IP组件设计的方法,并以外部数据存储器控制为例,进行基于PLD的IP设计。仿真结果显示该设计是成功的,相应移动操作SoC的IP组件的操控运行有效、快速。

一种基于SOC技术的加固型嵌入式计算机系统的设计

单一芯片系统SOC(System On A Chip)是嵌入式系统实现的一种形式,是目前嵌入式应用领域的热门话题。本文作者对一种SOC芯片进行了研究和分析,并以这种芯片为核心设计了一种加固型嵌入式计算机;介绍了这种计算机的结构、性能、特点以及应用领域。

基于SOC架构软件无线电平台的低轨卫星载荷接收信号模拟技术研究

面向低轨卫星载荷测试中可灵活配置和小体积宽带信号模拟的需求,采用了AD9361和Zynq-7000构成了信号模拟系统,AD9361射频捷变芯片具有宽带、小型化特点,基于SOC架构设计的Zynq-7000运行Linux操作系统,可完成低轨卫星轨道的位置、速度以及卫星接收信号的多普勒值计算,Zynq-7000通过寄存器实现对AD9361射频捷变芯片参数配置,同时将接收信号多普勒值计算结果通过AXI总线实时设置AD9361射频捷变参数可实现70MHz至6GHz低轨卫星载荷接收信号的模拟;文章给出了基于Zynq-7000芯片Linux操作系统下实时轨道参数和信号参数计算的流程和结果,测试了AD9361射频捷变芯片模拟生成的低轨卫星载荷接收信号性能参数。

基于RISC-V处理器的卷积加速SoC系统设计

为提高卷积神经网络(CNN)的计算效率和能效,以8 bit定点数据作为输入,设计一个支持激活、批标准化以及池化等CNN网络中常见计算类型的卷积加速器,优化循环计算顺序并将其与数据复用技术相结合,以提高卷积计算的效率。基于软硬件协同设计思想,构建包含RISC-V处理器和卷积加速器的SoC系统,RISC-V处理器基于开源的指令集标准,可以根据具体的设计需求扩展指令功能。将该SoC系统部署在Xilinx ZCU102开发板上,RISC-V处理器和卷积加速器分别工作在100 MHz和300 MHz频率下,测试结果表明,该加速器的算力达到153.6 GOP/s,运行VGG16网络进行图片推理计算时加速效果较好。

基于SoC FPGA硬件并行化计算的配电网电压控制技术

随着主动配电网以及物联网技术的发展,无功设备的接入呈现复杂化和边缘化趋势,电压控制的相关计算也向边缘计算发展。由于算力受限,边缘终端纯软件式的计算所需时间较长,无法满足控制的实时性要求。针对此问题,文中提出一种基于片上系统现场可编程门阵列(SoC FPGA)硬件并行化计算的配电网电压控制策略。首先,设计基于SoC FPGA的软硬件计算框架;然后,对配电网电压控制模型及遗传算法求解方法做出适用于FPGA计算的针对性改进;最后,分模块设计FPGA硬件求解结构。算例场景验证表明,相比于边缘终端纯软件式的求解方式,文中所提策略在电压越下限、电压越上限场景的平均求解效率分别提高了2.41倍和2.15倍,可有效提升电压控制的实时性。

基于可编程SOC的图像边缘检测系统

随着人工智能的不断发展,云计算面临数据量大、实时性低等问题。为了解决该问题,一种新的计算方式——边缘计算进入了人们的视野。边缘计算推动人工智能走向嵌入式系统,与传统嵌入系统相比,边缘人工智能要复杂得多,传统嵌入式设备计算能力弱、效率低的问题更为突出。基于Xilinx公司Zynq-7000系列的全可编程SOC完成系统设计,实现对视频的边缘检测。测试结果显示,硬件边缘检测速度比纯软件边缘检测速度快10倍,为边缘人工智能在嵌入式应用方面提供了可行方向。

基于SoC的新型通用弹载计算机系统设计

为了解决现有制导武器中弹载计算机计算性能较弱和传感器底层数据交互复杂等问题,提高弹载计算机计算性能与硬件集成度,提出一种基于So C FPGA的新型通用弹载计算机设计方案。提出的So C FPGA通用弹载计算机硬件设计集成度显著提高,通过三种平台(ARM、DSP和So C FPGA)的运算耗时实验对比,在相同计算要求下,该弹载计算机并行运算加速方法运算耗时相较串行运算下降了一个数量级,为4 ms,得到较好的运算加速效果。结果表明,基于SoC FPGA的新型通用弹载计算机硬件集成度高、通用接口丰富,而且弹载程序运算满足现代武器制导的实时性与精确性要求。

高速数字喷墨打印领域专用SoC研究与设计

针对高速数字喷墨打印对高带宽、低延迟、低抖动的打印数据传输,以及高并发的位操作喷孔控制等需求,设计了一种领域专用SoC架构并实现了软硬件系统.通过StandaloneOS下的轻量级网络传输减少了操作系统带来的传输抖动,保持稳定高速的数据传输;基于片内高速总线提升了主控系统与喷头控制模块之间的传输带宽,降低了信号传递的延迟;通过设计位操作协处理模块,实现了对喷孔阵列的高并发控制.基于ZYNQ7020 FPGA SoC平台实现了上述SoC架构及系统,实验结果表明:该系统从上位机接收打印数据时,采用千兆以太网传输速率可以稳定保持在947 Mbps;片内总线传输带宽可达800 MB/s,指令传输延迟在10 ns内;系统的位操作数据处理频率可达64 MHz;整个系统的数据吞吐率可达1500 Mbit/s,数据传输抖动在20 ns内.该系统可驱动具有30720个喷孔的打印机喷头以600 dpi的打印精度完成200 cm/s的打印工作,在1200 dpi的打印精度下仍表现出优良的性能,为突破高速数字喷墨打印的速度瓶颈提供了新的技术思路.

基于云端计算的SOC估计策略

荷电状态(SOC)是锂电池的重要参数。现有的SOC估计方法并不能很好地反映锂电池健康状态随着时间变化而变化的特征。结合云计算技术和无线通信技术,针对车载SOC估计中计算量和存储量不足的问题,提出了一种基于云端计算的SOC估计架构,并通过仿真试验验证了这一方法的有效性。

平缓学习曲线的“计算机设计实践”课程改革探索

针对“计算机设计实践”课程学习曲线陡峭的问题,研究如何帮助学生在较短的时间内消除学习障碍的教学方法。围绕MIPS处理器设计的核心任务,提出了从结构完整、功能极简的SCCPU0入手,分步递进进行课程实践。设计了用户友好的仿真验证平台和SOC验证平台,统一的验证平台既方便了学生调试和验证CPU,也为教师现场验收实验提供了便利。教学改革成效证明多种课程改革措施有效地平缓了该课程陡峭的学习曲线,激发了学生实践积极性,使学生的计算机硬件设计能力得到了充分的训练。