基于Zynq的LS-SVM算法加速器設(shè)計(jì)

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1、碩士學(xué)位論文基于Zynq的LS-SVM算法加速器設(shè)計(jì)DESIGNOFLS-SVMACCELERATORWITHZYNQ王曉璐哈爾濱工業(yè)大學(xué)2015年6月國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TP311.1學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)碩士學(xué)位論文基于Zynq的LS-SVM算法加速器設(shè)計(jì)碩士研究生：王曉璐導(dǎo)師：劉大同副教授副導(dǎo)師：王少軍講師申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科、專業(yè)：儀器科學(xué)與技術(shù)所在單位：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院答辯日期：2015年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex：TP311.1U.D.

2、C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFLS-SVMACCELERATORWITHZYNQCandidate:WangXiaoluSupervisor:AssociateProf.LiuDatongDeputySupervisor:AssistantProf.WangShaojunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:InstrumentScienceandTechnology

3、Affiliation:SchoolofElectricEngineeringDateofDefense:June,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要最小二乘支持向量機(jī)LS-SVM（LeastSquaresSupportVectorMechine）憑借訓(xùn)練效率高、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的在線或?qū)崟r(shí)健康管理，而在線、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)健康管理平臺(tái)對(duì)計(jì)算性能、功耗、體積和重量上都存在嚴(yán)格的約束，因此，

4、往往依托于嵌入式計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。由于LS-SVM算法的計(jì)算復(fù)雜度高，對(duì)計(jì)算資源要求也較高，采用傳統(tǒng)的基于FPGA的可重構(gòu)計(jì)算編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且對(duì)計(jì)算任務(wù)調(diào)度不靈活，然而近年來(lái)，逐漸發(fā)展的異構(gòu)SoC憑借并行化、可定制、低功耗的優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)健康管理提供了嶄新的解決思路。本文基于Xilinx公司最新的Zynq系列SoC，實(shí)現(xiàn)LS-SVM算法的嵌入式計(jì)算加速器設(shè)計(jì)，力圖解決嵌入式SoC中處理器系統(tǒng)PS（ProcessingSystem）和可編程邏輯PL（ProgrammableLogic）的協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及基于高層次綜

5、合（HighLevelSynthesis，HLS）開(kāi)發(fā)方式的PL固件邏輯快速設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證問(wèn)題，為以LS-SVM為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)算法的在線或?qū)崟r(shí)健康管理應(yīng)用提供可行的解決方案，也為復(fù)雜算法的嵌入式高性能計(jì)算提供設(shè)計(jì)參考。首先，本文開(kāi)展LS-SVM算法加速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)LS-SVM算法的特點(diǎn)和異構(gòu)SoC中軟硬件的處理特性，對(duì)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行合理的軟硬件劃分，確定PS和PL兩部分的功能。進(jìn)而，通過(guò)構(gòu)建具有快速數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)下PS和PL之間的快速數(shù)據(jù)訪存。另外，針對(duì)整個(gè)算法的任務(wù)調(diào)度，進(jìn)行了片上系統(tǒng)的控制

6、流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于異構(gòu)SoC的流水計(jì)算。其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，開(kāi)展算法加速器的數(shù)據(jù)通路和控制程序設(shè)計(jì)。根據(jù)軟硬件劃分結(jié)果，將算法中的核函數(shù)計(jì)算和線性方程組求解分別予以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)核函數(shù)計(jì)算模塊，在PS部分進(jìn)行了軟件控制程序設(shè)計(jì)；而對(duì)于計(jì)算復(fù)雜度最高的線性方程組求解模塊，選取喬里斯基分解（Choleskydecomposition）方法進(jìn)行求解，并基于HLS開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過(guò)選擇循環(huán)展開(kāi)、循環(huán)流水等優(yōu)化指令實(shí)現(xiàn)基于HLS的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。最后，為了驗(yàn)證本課題設(shè)計(jì)的合理性和有效性，將設(shè)計(jì)的LS-SVM算法加速器應(yīng)

7、用到系統(tǒng)健康管理中重點(diǎn)關(guān)注的時(shí)間序列預(yù)測(cè)問(wèn)題，并與PC平臺(tái)、ARM處理器以及Virtex-5可重構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，在計(jì)算效率、計(jì)算誤差、資源消耗、功耗以及開(kāi)發(fā)周期等方面進(jìn)行了比較。最終實(shí)驗(yàn)表明，本文基于異構(gòu)SoC的LS-SVM算法加速器能夠?yàn)榍度胧礁咝阅苡?jì)算應(yīng)用提供一種良好的解決方案，I哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文同時(shí)，為基于HLS的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：異構(gòu)；軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)；片上系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通路；高層次綜合II哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractTheLeastSquareSupportVectorMachine

8、(LS-SVM)algorithmwhichhastheadvantageofhightrainingefficiency,stronggeneralizationabilityhaswidelybeenusedinonlineorreal-timehealthmanagementforcomplexs