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

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。

2.2硬件连接
从上面的介绍容易发现，ARM芯片的通信对象是基于SRAM工艺的FPGA芯片上的存储体。因此，FPGA芯片作为存储设备时，ARM芯片可直接与其相连。ARM与FPGA硬件连接示意图如图6所示。

图6 ARM与FPGA硬件连接示意图

ARM与FPGA的片上存储体的地址总线连接设置为12位，足够存储和寻址需求。

数据总线的宽度为28位。神经网络处理器的数据精度为16位［4］，FPGA样本数据寄存器还有12位外部扩展存储器的地址数据，因此整个数据总线的宽度为二者之和。除样本数据寄存器之外的片上存储体，数据线占用28位数据总线中的低16位。

控制总线包括ARM端的片选线nGCS6和读/写控制线。对ARM相应的寄存器进行配置可激活BANK6（FPGA片上存储体）和读/写数据。

根据数据存储位置的不同，硬件连接可分成两方面。如图7所示。

图7 FPGA端部分硬件连接示意图

第一，存储位置为FPGA端的外部扩展存储器。①ARM与FPGA通过12位地址总线、28位数据总线及控制总线直接相连，数据写入样本数据寄存器。②样本数据寄存器的28位数据按照12位地址数据、16位样本数据，通过FPGA与外部扩展存储器之间的12位地址总线、16位数据总线，在存储控制模块的控制下，把样本数据写入扩展存储器。因此，把样本数据寄存器分为两部分，低16位为样本数据，高12位为该样本数据在外部扩展存储器的存储地址，如下所示。

第二，存储位置为FPGA的片上存储体。ARM与FPGA通过12位地址总线、28位数据总线中的低16位、控制总线直接相连，控制寄存器组、专用寄存器组、分布式存储器连接在这些总线上面。

片上集成存储系统采用统一编址的方式，其优势在于可以通过ARM芯片的DMA方式进行数据传输，既可以提高传输速率又能够释放CPU.外部扩展存储器因为只受FPGA控制而采用独立编址，但地址域的设计接续片上集成存储系统的地址，如此方便操作。

3 ZDMA控制设计
ARM端与FPGA端的数据通信如图8所示，分为3个阶段：

①网络初始化阶段的数据通信：配置网络初始化数据。a）需对网络训练执行阶段②，b）否则执行阶段③。

②网络训练阶段的通信：下载训练样本数据，训练完成上传稳定的权值。

③实际应用阶段的通信：下载实际样本数据，上传处理结果。

每一个阶段都是在ZDMA的方式下进行。每一个阶段完成后都会进入中断，提示本阶段完成并进行下一步操作。

图8 数据通信阶段流程图

3.1下载数据时ZDMA的配置
按照是否为样本数据，通信可分为两个阶段：一是面向FPGA片上集成存储系统的非样本数据通信，二是面向FPGA片外扩展存储器的样本数据通信。

本设计使用ZDMA0、ZDMA1两个通道中的一个。与ZDMA有关的特殊功能寄存器有：

ZDMA控制寄存器（①ZDCONn）：主要用于对DMA通道进行控制，允许外部DMA请求（nXDREQ）。

ZDMA0/1初始源/目的地址和计数寄存器、ZDMA0/1当前源/目的地址和计数寄存器。

ZDMAn初始/当前源地址寄存器（②ZDISRC、③ZDCSRC）：初始源地址为数据在ARM芯片内存的存放地址；当前源地址为即将传输的数据的内存地址，值为初始源地址+计数值。

ZDMAn初始/当前目的地址寄存器（④ZDIDES、⑤ZDCDES）：分为两个阶段：第一阶段传输非样本数据时初始目的地址为BANK6的起始地址；当前目的地址是变化的，为初始目的地址+计数值。第二阶段传输样本数据时初始目的地址也是当前目的地址，为样本数据寄存器的地址。

ZDMAn初始/当前目的计数寄存器（⑥ZDICNT、⑦ZDCCNT）：初始值为0，当前值随着传输数据的个数逐一递增，直至达到所有数据的数量。样本数据和非样本数据的传输分两个阶段进行，各自独立。

从这个过程中可以看出，配置ZDMA时需考虑FPGA端存储结构体多样性的问题。

3.2上传数据时ZDMA的配置
神经网络处理器的稳定权值和处理结果存储在FPGA上统一编址的专用寄存器组B中，不存在存储结构体多样性的问题，所以上传数据时ZDMA的配置相对简单：

初始源地址即专用寄存器组B的起始地址，每传送一次数据专用寄存器组的地址指针+1并作为当前源地址。

初始目的地址为要存放数据的内存块的起始地址，每传送一次数据内存块地址指针+1并作为当前目的地址。

计数寄存器的初始值为0，每传送一次数据其值+1，达到设定的目标值时数据上传即完成。

结语
本文首先介绍了人工神经网络的模型和算法以及FPGA的实现，并通过对网络结构的分析设计了FPGA端的数据存储系统。然后分析了ARM端和FPGA端各自的功能，在此基础上把两者结合在一起，设计了一种利用ARM的ZDMA方式相互通信的方案。