一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法，所述方法重新定義了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元表示、能量函數(shù)、運(yùn)行方程和系數(shù)，本發(fā)明能夠以相對(duì)較小的代價(jià)(FPGA開銷小于4K個(gè)可編程邏輯塊)取得高達(dá)60%的功耗節(jié)省，系統(tǒng)性能得到了相應(yīng)的提高，彌補(bǔ)了過去的軟/硬件劃分方法在許多方面對(duì)于RTOS-Power劃分的不充分，如RTOS-Power功耗建模與估計(jì)、功耗約束條件和目標(biāo)參數(shù)的提煉、功耗優(yōu)化求解算法的設(shè)計(jì)、劃分結(jié)果的評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題等。
【專利說明】-種基于離散Hopf ield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)功耗領(lǐng)域，具體涉及一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 RTOS功耗優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源危機(jī)的不斷發(fā)展，數(shù)量龐大的嵌入式系統(tǒng)的功耗問題日益引起人們 的關(guān)注。作為嵌入式系統(tǒng)的一種新形式，SoC( System-on-a-Chip，片上系統(tǒng)或系統(tǒng)芯片） 在單個(gè)IC( Integrated Chip,集成電路芯片）里基本上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟 /硬件功能。同傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比，SoC具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、功耗低、可 靠性高以及更高的性價(jià)比等，缺點(diǎn)是復(fù)雜性上升、設(shè)計(jì)成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)，完全改變了先 前整機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)。SoC通常是一個(gè)定制的1C，一般由通用的微處理器核、可邏輯 編程的硬件單元、應(yīng)用相關(guān)的I/ 0接口電路和相應(yīng)的嵌入式軟件組成。SoC設(shè)計(jì)結(jié)合了傳 統(tǒng)的IC(包括數(shù)字、模擬和射頻集成電路）設(shè)計(jì)和嵌入式軟件開發(fā)兩方面的內(nèi)容，是學(xué)術(shù) 界的研究熱點(diǎn)和工業(yè)界大力推廣應(yīng)用的一項(xiàng)新技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明從硬件角度，考慮了處理器核和ASIC核 的功耗問題，由于在指令級(jí)或操作級(jí)進(jìn)行精確的功耗估計(jì)是非常困難的，實(shí)際上無法保 證軟/硬件劃分結(jié)果能夠達(dá)到規(guī)定的功耗目標(biāo)要求。同時(shí)，采用簡(jiǎn)單的表調(diào)度（list scheduling)將劃分對(duì)象與目標(biāo)模塊進(jìn)行對(duì)比、排序，完成對(duì)軟/硬件的劃分，也難以保證 劃分結(jié)果是功耗最優(yōu)的，或功耗次優(yōu)的。
[0004] RTOS ( Real-Time Operating System,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)） 是 SoC( System-〇n-a-Chip，系統(tǒng)芯片或片上系統(tǒng)）的一個(gè)重要組成部分，其功耗一般約占整個(gè)系 統(tǒng)功耗30?40%的比例，而基于軟/硬件劃分的RTOS功耗優(yōu)化方法（簡(jiǎn)稱RTOS- Power 劃分）能夠明顯地減少SoC的功耗。
[0005] 因此，SoC-RTOS的功耗相關(guān)軟/硬件劃分（簡(jiǎn)稱RTOS-Power劃分）對(duì)于SoC 設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它決定了 SoC-RTOS的哪些功能應(yīng)該由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能應(yīng)該由軟 件實(shí)現(xiàn)，其劃分結(jié)果直接影響到SoC的系統(tǒng)功耗。和一般的RTOS相比，由于SoC-RTOS具 有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，使得其具有不同的功能集合和軟/硬件實(shí)現(xiàn)要求，從而造成了 RTOS- Power劃分與一般的嵌入式系統(tǒng)和SoC劃分存在比較大的區(qū)別，過去的軟/硬件劃 分方法在許多方面對(duì)于RTOS-Power劃分是不充分的，如RTOS- Power功耗建模與估計(jì)、 功耗約束條件和目標(biāo)參數(shù)的提煉、功耗優(yōu)化求解算法的設(shè)計(jì)、劃分結(jié)果的評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)問題等。
[0006] RTOS-Power劃分是一個(gè)NP完全問題，其主要目標(biāo)是將RTOS的功能行為在一定約 束條件下 優(yōu)化地分配到SoC的軟/硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功耗的最小化。在有些研究中， 將RTOS-Power劃分作為SoC-RTOS軟/硬件綜合的一部分。SoC-RTOS的功能行為一般采 用任務(wù)圖（task graph)建模，每個(gè)任務(wù)具有相應(yīng)的功耗屬性，我們采用基于任務(wù)級(jí)的系統(tǒng) 功耗建模與估計(jì)策略。
[0007] 對(duì)軟件而言，一個(gè)任務(wù)是具有明確接口的、粗粒度的一系列運(yùn)算操作的集合，通常 表現(xiàn)為一個(gè)功能模塊、函數(shù)、算法過程、對(duì)象或構(gòu)件； 對(duì)硬件而言，一個(gè)任務(wù)是一個(gè)特定的IP ( Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）模塊， 具有清晰的功能、接口和約束。為形式化地描述SoC-RTOS劃分問題，使用符號(hào)如下： G : -個(gè)有向無環(huán)圖，亦即一個(gè)SoC-RTOS功能行為的任務(wù)圖,G = (V,E); V :將要?jiǎng)澐值娜蝿?wù)節(jié)點(diǎn)集合，V = (V1,V2,…，Vn}; E :表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間控制或數(shù)據(jù)依賴/通信關(guān)系的有向邊，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法，其特征在于：所述方法重新 定義了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元表示、能量函數(shù)、運(yùn)行方程和系數(shù)， 其中： 1) 神經(jīng)元的表示： 一個(gè)具有N個(gè)神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)于任務(wù)圖G的N個(gè)節(jié)點(diǎn)，第i個(gè)神經(jīng)元與節(jié)點(diǎn)i存在一種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有一個(gè)輸入U(xiǎn)i和輸出Vi間的函數(shù)關(guān)系，神經(jīng)元的激勵(lì)函數(shù)由下 式確定：
，權(quán)重Wii是η的成本和通信成本Cji的和，是第i個(gè)神經(jīng)元的閾值，同時(shí)，神經(jīng)元輸出值 Vj= 0 ,表示ViEVhM= 1,表示VjEVs ; 2) 能量函數(shù)： 對(duì)應(yīng)于RTOS-Power劃分的約束條件和目標(biāo)函數(shù)，Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)包括 下列兩部分：

其中，A和B是兩個(gè)正系數(shù)，Cii表示一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)的功耗，不同的任務(wù)節(jié)點(diǎn)具 有不同的值；Ps表示一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)的功耗，不同的任務(wù)節(jié)點(diǎn)具有不同的值；φ"表 示一個(gè)相應(yīng)的任務(wù)節(jié)點(diǎn)間通信的功耗，不同的通信具有不同的值； 在方程（7)中函數(shù)Oi(X)由下式確定：
E1是能量函數(shù)的一個(gè)約束條件，同
相關(guān)； E2是能量函數(shù)的一個(gè)目標(biāo)函數(shù)fp(VH,Vs)，表示SoC-RTOS的功耗值； 3)運(yùn)行方程： 第i個(gè)神經(jīng)元的運(yùn)行方程為 dUj - 3Edt
運(yùn)行方程系數(shù)的確定： 系數(shù)A由任務(wù)節(jié)點(diǎn)成本的平均值ω確定，即
系數(shù)B由Uavg確定，設(shè)定Αω=KBUavg ,其中K是一個(gè)調(diào)節(jié)常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法，其特 征在于：將一個(gè)"噪聲"條件D將加到運(yùn)行方程（10)上，其中，
當(dāng)條件ft/Tcjl>γ滿足時(shí)，在運(yùn)行方程中條件D將被丟棄，其中H是一個(gè)取整操作符， γ=Te - 0：X!^/Tmax -I, 是一個(gè)正系數(shù)，Tmax是一個(gè)正系數(shù)，Tmax是迭代的最 大步數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法， 其特征在于=Oii 的值能夠通過一個(gè)低層的功耗仿真器EMSM獲得，該仿真器模擬 了一個(gè)包含IntelStrongARM處理器和RTOS的SoC平臺(tái)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的RTOS功耗優(yōu)化方法，其特 征在于：不同軟/硬件實(shí)現(xiàn)條件下任務(wù)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間也能夠通過所述仿真器獲得。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK104238427SQ201410487720
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】方雪靜, 胥榕 申請(qǐng)人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司