《脑与认知科学概论(第2版)》课件8.5人工大脑简单记忆功能的电路设计与实现.ppt

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资源描述

1、一、实验目的一、实验目的 依据人工智能的方法,采用电子设计自动化(EDA)软件平台设计电子线路,并使之能够实现对人脑功能的部分模拟。具体地说,就是设计一个电子线路,模拟Hopfield神经网络,在信息不完整的状况下,实现数据的记忆联想判断的大脑思维功能。二、实验环境二、实验环境软件环境:选择Altera公司提供的FPGA/CPLD开发集成环境Max+plus。Max+plus界面友好,使用便捷,被誉为业界最易用易学的EDA软件。在Max+plus上可以完成设计输入、元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程,它提供了一种与结构无关的设计环境,使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程

2、。硬件:本实验的规模很小,因此市面上绝大多数FPGA/CPLD产品均可选用,读者可根据自身条件选择。这里我们选择市面上比较流行的Altera公司的Cycl one II EP2C35 150万门级的 FPG A芯片作为目标芯片,它的相关资料非常丰富,易学易用。三、实验原理三、实验原理 实验采用16个神经元,即16个计算单元组成Hopfield反馈网络。最后的仿真结果将下载,用可编程逻辑器件显示。16个神经元将用16个小灯显示,组成44的方阵。Hopfield联想记忆网络记忆容量的上限为0.15N,此时N=16,则记忆容量为0.1516=2.4,即可以记住至多两个稳定状态,这里为了方便起见,让网

3、络记住了一个稳定状态,即图案4。网络运行时可以输入形似4的图形,让网络自行运行,网络会一步一步趋向设定的稳定状态。这就类似于人脑的联想记忆功能,即看到类似于自己曾经记忆过的图形,会联想起以前的图形。四、实验步骤四、实验步骤1、熟悉使用Max+plus开发的流程在ALTERA公司MAX+PLUSBaseline环境下,其设计流程如下:建立新项目 选File ProjectName为新项目命名。编辑电路 采用原理图输入法在Graphical Editor中编辑电路。采用文本输入法用VHDL语言在Text Editor中编辑电路。存储、检查及编译 编辑完成后:选AssignDevice做CPLD芯片

4、的型号设置。选AssignGlobal Project Device Option做Configuration Scheme传输模式设置。选AssignGlobal Project Logic Synthesis做Style设置。选FileProjectSave&Compile作电路图存档及编译。功能仿真在MAX+PLUSIIWaveform Editor中做输入波形的定义及存储。打开仿真器(Simulator)仿真电路。管脚配置(Floor plan)与编译在MAX+PLUSFloor plan Editor中做CPLD的IC管脚设定。管脚设定完后,选FileProjectSave&Comp

5、ile做存档及编译。程序下载(Programming)MAX+PLUS自配的下载程序:MAX+PLUSProgrammerbyte blaster下载程序:编译正确完成后,执行Dnld3或Dnldl0程序,载入结构位元于下载板中。在开发系统中仿真或下载存于SEEPROM内,便于开机自动执行。电路功能测试选按Dnld3或Dnldl0程序中的Config按钮,重置并执行芯片中的电路,并测试电路功能。2、人工大脑简单记忆功能的实现 在熟悉了MAX+PLUS进行FPGA/CPLD开发过程的基础上,我们进行人工大脑简单记忆功能的实现。由于神经元结构的抽象性,并且为了能将神经网络的原理更加清晰的展现给读者

6、,我们选择直接用硬件描述语言进行编程描述。(1)设计in_1_1,in_1_2等16个输入端口和l_1_1,l_1_2等16个与之对应的输出端口。(实际上是设想中的16个小灯组成的44的矩阵。)(2)W_1_1,W_1_2分别代表神经元1到神经元1、2的连接权值,直到W_16_16,共256个连接权值。设m1,m2m16,共16个中间变量,h_1至h_16共16个比较变量,用于比较加权后的结果与0之间的大小关系。(由于输入与输出都是位运算,即0或者1两种状态,因此在计算过程中要变为-1和1两种状态,这样既简便易懂又与理论贴近,这就需要把输入赋值给中间变量的过程中转换状态,最后再把计算结果变成0

7、和1输出。)(3)中间变量操作 IF(an(1)=0)THEN m1:=-1;ELSE m1:=1;END IF;这个语句用16次,即可将输入转化为中间变量要使用的-1和1两值状态。(4)加权计算与判断h是每个神经元的加权和,用以和0比较大小进而决定该神经元下一个时刻的输出。加权语句为h_1:=m2*w_2_1+m3*w_3_1+m4*w_4_1+m5*w_5_1+m6*w_6_1+m7*w_7_1+m8*w_8_1+m9*w_9_1+m10*w_10_1+m11*w_11_1+m12*w_12_1+m13*w_13_1+m14*w_14_1+m15*w_15_1+m16*w_16_1;其中,

8、各个m为其他神经元本时刻的输出,w为对应的权值,在程序开始时已经根据目标状态由计算得出并设定好。共有16个这样的语句,分别与16个神经元的判断机制相对应。得出相加结果后,再判断其与0的大小关系,并依此为输出及下一个状态赋值。其语句如下:IF(h_10)THEN an(1)=1;ELSE an(1)=0;END IF;同样,这样的语句有16个,将计算结果又返回给神经元的输出而显示出来,同时又为下一次计算准备了数据。(5)整个过程需要嵌套在一个大的系统循环里面,以系统时钟信号的上升沿为激活信号。使得每有一个时钟上升沿来临时,系统运行一次计算,这样一直迭代计算下去。其具体实现语句为:IF(clk EVENT AND clk=1)THEN END IF;实验思考题 请简述VHDL程序的基本结构。在使用VHDL语言进行编程时,进程语句是设计人员描述结构体时使用最为频繁的语句,请简述其特点。请查阅相关资料了解后简述可编程逻辑器件的优点。请读者思考并查阅相关文献了解更多关于 Hopfield联想记忆网络存在的伪状态的相关知识。

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