專利名稱：一種具有公式發(fā)現(xiàn)功能的嵌入式智能芯片的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能芯片，具體講是一種具有公式發(fā)現(xiàn)功能的嵌入式智能芯 片，屬人工智能技術領域。
背景技術：
人工智能是信息技術發(fā)展的重要方向之一。世界各國都在開展公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的研
究工作，公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要是指通過機器的發(fā)現(xiàn)學習，幫助學習者或研究者分析實驗
數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)律、驗證學習者或研究者設想的一種系統(tǒng)。據(jù)資料報道，世界上目 前只有美國德州儀器公司和惠普公司開發(fā)成功過一種手持式的具有公式發(fā)現(xiàn)功能的
圖形化計算儀。然而，這種計算儀在公式發(fā)現(xiàn)上仍然釆用的是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)擬合技術，
當行列式元素微小變化引起解的顯著變化的問題，即線性方程組系數(shù)行列式存在"病
態(tài)問題"。并且，圖形化計算儀發(fā)掘出來的公式只有多項式一種類型，不僅知識形式
單一、可理解性、可用性差；更重要的是無法從得到的公式中了解周期性、變化趨勢
等重要特征。
Sinx=x—0. 166667x3+0. 008333x5—0. 0001984x7+0. 0000027557x9—...... (1)
阻尼振動曲線公式x=Aoe-ptcos("ft+cl>) (2)
觀察公式(1)等號左邊與右邊可以看出右邊的多項式表示形式無法體現(xiàn)周期 性、變化趨勢等重要特征，而左邊則完全不同；公式(2)的情況更是如此。
目前國內(nèi)外僅有的少數(shù)幾個儀器制造企業(yè)設計和生產(chǎn)具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的 芯片，大多數(shù)廠家仍延用基于通用嵌入式處理器，再加上外圍電路組裝后，公式發(fā)現(xiàn) 由軟件算法完成的方式，這種方式主要缺點是公式發(fā)現(xiàn)的效率低。第二種是基于FDD (Formula Discovery from Data,公式發(fā)現(xiàn))的系統(tǒng)，其運行環(huán)境是計算機，而不 是嵌入式系統(tǒng)，這種方式的主要缺點是體積大、外圍接口單元多，無法隨身便攜，使 用不方便。總之，目前還沒有發(fā)現(xiàn)基于SOC (片上系統(tǒng))的公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)解決方案。 因此，研究一種能夠提高公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的效率，減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板間的 信號傳遞，可重構的公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已成為國內(nèi)外提高智能化信息發(fā)展研究的重要內(nèi) 容。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種具有公式發(fā)現(xiàn)功能的嵌入式智能芯片，其是基于
XILINX公司的FPGA (Field Programmable Gate Array,即現(xiàn)場可編程門陣列)的公 式發(fā)現(xiàn)S0C (片上系統(tǒng))智能芯片。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案-
一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，它包括存儲器、IP軟核芯片、軟 核微處理器、鍵盤接口、 USB接口及LCD顯示控制器，其特征在于軟核微處理器與 存儲器、IP模塊、鍵盤接口、 USB接口、 LCD控制器通過各自的接口分別連接；所述 IP軟核芯片為內(nèi)置有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的SOC系統(tǒng)芯片。
其中，所述IP軟核芯片包括數(shù)據(jù)輸入端口、公式發(fā)現(xiàn)控制模塊、公式庫及公式 輸出端口；所述公式發(fā)現(xiàn)控制模塊分別與數(shù)據(jù)輸入端口、公式庫、公式輸出端口連接。
其中，所述公式發(fā)現(xiàn)控制模塊內(nèi)置有數(shù)據(jù)預處理模塊、公式初選模塊、誤差分析 模塊和公式修正模塊。
其中，所述公式庫是將知識庫中的知識預先固化于該模塊中，此預固化程序?qū)?式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)進行分析、判斷、決定最終公式；該公式庫包括原型函數(shù)公式庫和原型算 法庫，其中，原型函數(shù)公式庫是構成數(shù)學公式的基本單元，原型算法庫所包括的原型
決定了系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)能力。
其中，所述公式輸出端口將所決定最終公式輸出給LCD顯示。 其中，該智能芯片通過鍵盤輸入的原始數(shù)據(jù)或者通過USB接口從計算機下載的原 始數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過公式發(fā)現(xiàn)IP核模塊中數(shù)據(jù)預處理模塊進行初步處理；第二步由公 式初選模塊根據(jù)誤差逼近情況來優(yōu)選原型函數(shù)；第三步由誤差分析模塊計算入選公式 的相對誤差并對誤差進行比較；第四步根據(jù)用戶提供的誤差要求決定是否對系統(tǒng)所發(fā) 現(xiàn)的公式進行修正；軟核微處理器完成整個公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)度工作，如實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸 入或下載，響應接口命令，控制LCD顯示刷新等功能；LCD控制器實現(xiàn)外部LCD的驅(qū) 動功能。
其中，所述的經(jīng)過公式發(fā)現(xiàn)IP核模塊中數(shù)據(jù)預處理模塊進行初步處理，包括兩
個方面，其一是根據(jù)具體情況對用戶所提供的數(shù)據(jù)進行初步處理；其二是在多變量中 選擇兩個變量以及向多變量的過渡處理。
本實用新型采用如上技術方案，其有益效果如下 一、本實用新型所述的智能芯
片，是基于XILINX FPGA的公式發(fā)現(xiàn)芯片，該芯片將存儲器、公式發(fā)現(xiàn)IP核模塊、 XILINX FPGA軟核微處理器、鍵盤接口 USB接口以及LCD控制器集成為一體，固化成 一體積微小的芯片，與現(xiàn)有技術相比，不僅可以大幅縮短系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)公式的時間，更可 以縮小整個系統(tǒng)所占的面積，減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板間的信號傳遞，加快微 處理器數(shù)據(jù)處理的速度，內(nèi)嵌的線路還可以避免外部電路板上信號傳遞所造成的系統(tǒng) 干擾。芯片本身在最簡單的低端應用中可以充當獨立的公式發(fā)現(xiàn)芯片，芯片集成度高， 可靠性強。二、本實用新型的技術方案是基于大規(guī)模FPGA解決方案的SOC(片上系統(tǒng)) 現(xiàn)代計算機輔助技術、EDA (電子設計自動化)技術和大規(guī)模集成電路技術高度發(fā)展
的綜合技術，本實用新型改變了以往將IP硬核預先植入系統(tǒng)微處理器的方式，采用 嵌入式系統(tǒng)微處理器的IP軟核，該IP軟核可以根據(jù)用戶需要隨意對其硬件結構、功 能特點、資源占用等進行靈活配置構建；改變了 IP硬核無法裁減微處理器硬件資源 的缺陷，該IP軟核則可以隨意裁減，有效降低了FPGA成本，從而在相當短的時間內(nèi) 用很低的成本就可以開發(fā)出目標產(chǎn)品。三、本實用新型的智能芯片裝載于不同的儀器、 儀表或設備中，使這些儀器、儀表或設備具有公式發(fā)現(xiàn)的能力，這對于提高儀器、儀 表或設備的智能化程度將起到非常重要的作用。


圖1為本實用新型的具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片的結構框圖 圖2為本實用新型中公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片的結構框圖
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的說明。
如圖1、圖2所示，本實用新型公開的具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片， 提出了一個完整的公式發(fā)現(xiàn)SOC芯片的設計方案，并立足于實際的具體應用，給出了 基于XILINX公司的32位MicroBlaze軟核處理器的FPGA實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)方案同樣 可以應用到其它數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SOC芯片設計中，只是需要修改相應的發(fā)現(xiàn)算法，調(diào)整系統(tǒng) 軟件中相應的模塊就可以了。
本實用新型的具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，由存儲器，XILINXFPGA 軟核微處理器，公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片、鍵盤接口， USB接口以及LCD控制器組成，其 中，XILINXFPGA軟核微處理器分別與存儲器、公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片、鍵盤接口， USB 接口以及LCD控制器連接。
其中，存儲器用來保存需要進行發(fā)現(xiàn)的原始數(shù)據(jù)和各種中間運行結果，以便后面 的運算使用，它直接受到XILINX FPGA軟核微處理器的控制；同時它還可以使公式發(fā) 現(xiàn)IP軟核芯片可以實現(xiàn)流水線結構，加快運算速度；
XILINX FPGA軟核微處理器是本實用新型的指揮控制中心，本實用新型實施例中 釆用MicroBlaze軟核微處理器，該MicroBlaze軟核微處理器完成整個公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) 的調(diào)度工作，如實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入或下載，響應鍵盤及USB接口命令，控制LCD顯示刷新 等功能。該MicroBlaze軟核微處理器是一種針對Xilinx FPGA器件而優(yōu)化的32位微 處理器，適用于所有的FPGA器件。將MicroBlaze軟核微處理器和其它外設IP核一 起，可以完成可編程系統(tǒng)芯片的設計。MicroBlaze軟內(nèi)核釆用RISC (reduced instruction system computer)架構和哈佛(Harvard)結構的32位指令和數(shù)據(jù)總 線，內(nèi)部有32個通用寄存器R0 R31和2個特殊寄存器程序指針和處理器狀態(tài)寄存 器。MicroBlaze還具有指令和數(shù)據(jù)緩存，所有的指令長度都是32位，有3個操作數(shù) 和兩種尋址模式，指令功能劃分有邏輯運算，算術運算，分支，存儲器讀/寫和特殊 指令等，指令執(zhí)行的流水線是并行流水線，它分為3級流水線取指，譯碼和執(zhí)行。
本實用新型中釆用的是MicroBlaze軟核處理器的升級版本一MicroBlaz V4.0。可工 作于200MHz時鐘頻率，與以前版本相比，核性能增加了25%。此外，MicroBlaze V4. 0 的32位處理器還包括可選擇的浮點單元。
公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片是整個智能芯片的核心部分，它主要是利用FPGA實現(xiàn)公式 的搜索、誤差計算和數(shù)據(jù)擬合；優(yōu)選函數(shù)原型、控制繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和修正公式等。該IP 軟核芯片內(nèi)置有數(shù)據(jù)輸入端口、公式發(fā)現(xiàn)控制模塊、公式庫與公式輸出端口；所述的 公式發(fā)現(xiàn)控制模塊分別與數(shù)據(jù)輸入端口、公式庫及公式輸出端口連接。其中公式庫 模塊是將知識庫中的知識預先固化于該模塊中，此預固化程序用于對公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)進 行分析、判斷、決定最終公式；公式發(fā)現(xiàn)控制模塊中內(nèi)置有4個子模塊，分別為數(shù) 據(jù)預處理模塊、公式初選模塊、誤差分析模塊和公式修正模塊。公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯 片主要是利用XILINX FPGA軟核微處理器完成整個公式發(fā)現(xiàn)芯片的調(diào)度工作，從而 構成公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)；
鍵盤接口提供外接鍵盤功能，以方便數(shù)據(jù)的輸入；鍵盤接口，通過鍵盤人工向 MicroBlaze軟核微處理器輸入命令，包括輸入原始數(shù)據(jù)和誤差要求等技術內(nèi)容。
USB接口提供與計算機連接功能，以方便批量數(shù)據(jù)能夠通過計算機下載到本系統(tǒng) 中；USB接口提供MicroBlaze軟核微處理器與計算機或其它儀器、儀表或設備的連 接功能，以方便批量數(shù)據(jù)能夠通過計算機或其它儀器、儀表或設備下載到本系統(tǒng)中。
LCD控制器實現(xiàn)LCD的驅(qū)動功能。LCD顯示控制器是整個系統(tǒng)人機交互的界面， LCD顯示控制器顯示當前MicroBlaze軟核微處理器數(shù)據(jù)預處理結果，公式初選擇情 況，誤差分析結果，公式修正，最終挖掘出來的公式等等，同時也可以方便系統(tǒng)調(diào)試。
其中，上述該IP軟核芯片內(nèi)置的公式發(fā)現(xiàn)控制模塊是公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片中的 核心部分，其工作原理為-
(1) 數(shù)據(jù)預處理模塊通過數(shù)據(jù)輸入端口輸入的數(shù)據(jù)進入該模塊的主要完成兩個 任務，其一是根據(jù)具體情況對用戶所提供的數(shù)據(jù)進行初步處理；其二是在多變量中選 擇兩個變量以及向多變量的過渡處理。
(2) 公式初選模塊按照接收到的數(shù)據(jù)預處理后的數(shù)據(jù)與公式庫中提供的公式進 行初選，根據(jù)其誤差(用戶進行公式發(fā)現(xiàn)時給出的誤差)逼近情況來選擇所有滿足條 件的原型函數(shù)。
(3) 誤差分析模塊將公式初選模塊提供的公式，按照相對誤差和均方差最小的 原則進行比較。
(4) 公式修正模塊經(jīng)過誤差分析模塊得到的分析結果與由鍵盤接口輸入的誤差 要求決定是否對系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)的公式進行修正。
其中，上述該IP軟核芯片內(nèi)置的公式庫模塊包括原型函數(shù)公式庫和原型算法 庫，其中，原型函數(shù)公式庫是構成數(shù)學公式的基本單元，原型算法庫所包括的原型決 定了系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)能力；
其中，上述該IP軟核芯片內(nèi)置的公式輸出端口模塊將公式發(fā)現(xiàn)控制模塊決定 的最終輸出公式輸入至MicroBlaze軟核微處理器，通過MicroBlaze軟核微處理器將
該結果輸入到LCD顯示控制器，由LCD實現(xiàn)可視化顯示。
用戶通過LCD顯示控制器可以很直觀地閱讀公式，并了解所發(fā)現(xiàn)的公式逼近實驗 數(shù)據(jù)的情況。
公式發(fā)現(xiàn)IP軟核芯片的工作流程由數(shù)據(jù)輸入端口人工輸入試驗數(shù)據(jù)，包括選 擇的函數(shù)原型或推理機自動選擇函數(shù)原型組合成數(shù)學關系式，利用最小二乘法原理求 組合關系式的各個系數(shù)，顯示變化趨勢，通過數(shù)據(jù)預處理模塊；再將預處理后的數(shù)據(jù)
送入公式初選模塊、根據(jù)數(shù)學關系式的逼近效果，由使用者決定重新構造關系式還是 進行自動推理深入構造數(shù)學關系式，并進入誤差分析模塊進行誤差分析，在搜索過程 中，每當發(fā)現(xiàn)一個比較可行的公式或函數(shù)原型，便將其送入公式庫等待下一步的選擇， 每一輪選擇之后便把落選的公式剔除出公式庫，直至發(fā)現(xiàn)滿意的公式為止，最后將其 滿意的公式經(jīng)公式輸出端口輸出。
權利要求1、一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，它包括存儲器、IP軟核芯片、軟核微處理器、鍵盤接口、USB接口及LCD顯示控制器，其特征在于軟核微處理器與存儲器、IP模塊、鍵盤接口、USB接口、LCD控制器通過各自的接口分別連接；所述IP軟核芯片為內(nèi)置有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的SOC系統(tǒng)芯片。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，其特 征在于所述IP軟核芯片包括數(shù)據(jù)輸入端口、公式發(fā)現(xiàn)控制模塊、公式庫及公式輸 出端口；所述公式發(fā)現(xiàn)控制模塊分別與數(shù)據(jù)輸入端口、公式庫、公式輸出端口連接。
3、 根據(jù)權利要求2所述的一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，其特征在于所述公式發(fā)現(xiàn)控制模塊內(nèi)置有數(shù)據(jù)預處理模塊、公式初選模塊、誤差分析模塊和公式修正模塊。
4、 根據(jù)權利要求2所述的一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，其特征在于所述公式庫包括原型函數(shù)公式庫和原型算法庫。
專利摘要一種具有公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能的嵌入式智能芯片，它包括存儲器、IP軟核芯片、軟核微處理器、鍵盤接口、USB接口及LCD顯示控制器軟核微處理器與存儲器、IP模塊、鍵盤接口、USB接口、LCD控制器通過各自接口連接；IP軟核芯片為內(nèi)置公式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)SOC系統(tǒng)芯片。IP軟核芯片包括數(shù)據(jù)輸入端口、公式發(fā)現(xiàn)控制模塊、公式庫及公式輸出端口；公式發(fā)現(xiàn)控制模塊分別與數(shù)據(jù)輸入端口、公式庫、公式輸出端口連接。智能芯片從計算機下載的原始數(shù)據(jù)，首先經(jīng)數(shù)據(jù)預處理模塊初步處理；第二步由公式初選模塊根據(jù)誤差逼近情況優(yōu)選原型函數(shù)；第三步由誤差分析模塊計算入選公式的相對誤差并進行比較；第四步根據(jù)用戶的誤差要求決定是否對系統(tǒng)所發(fā)現(xiàn)的公式進行修正。
文檔編號G06N99/00GK201203886SQ20082011456
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權日2008年5月23日
發(fā)明者萬瑪寧, 永 關, 馮金花, 劉旭敏, 劉永梅, 吳敏華, 尚媛園, 杰 張, 顥 張, 張偉功, 張樹東, 張聰霞, 徐遠超, 虹 朱, 李寶方, 李曉娟, 毛春靜, 巍 潘, 石長地, 袁慧梅, 趙冬生, 陳金強 申請人:首都師范大學