《腦與認知科學概論（第2版）》課件8.5人工大腦簡單記憶功能的電路設計與實現(xiàn)

腦與認知科學概論第8章腦與認知實驗

8.5人工大腦簡單記憶功能的電路設計與實現(xiàn)一、實驗目的

依據(jù)人工智能的方法，采用電子設計自動化(EDA)軟件平臺設計電子線路，并使之能夠?qū)崿F(xiàn)對人腦功能的部分模擬。具體地說，就是設計一個電子線路，模擬Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡，在信息不完整的狀況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記憶聯(lián)想判斷的大腦思維功能。二、實驗環(huán)境

軟件環(huán)境：選擇Altera公司提供的FPGA/CPLD開發(fā)集成環(huán)境Max+plusⅡ。Max+plusⅡ界面友好，使用便捷，被譽為業(yè)界最易用易學的EDA軟件。在Max+plusⅡ上可以完成設計輸入、元件適配、時序仿真和功能仿真、編程下載整個流程，它提供了一種與結(jié)構無關的設計環(huán)境，使設計者能方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。硬件：本實驗的規(guī)模很小，因此市面上絕大多數(shù)FPGA/CPLD產(chǎn)品均可選用，讀者可根據(jù)自身條件選擇。這里我們選擇市面上比較流行的Altera公司的CycloneIIEP2C35150萬門級的FPGA芯片作為目標芯片，它的相關資料非常豐富，易學易用。三、實驗原理

實驗采用16個神經(jīng)元，即16個計算單元組成Hopfield反饋網(wǎng)絡。最后的仿真結(jié)果將下載，用可編程邏輯器件顯示。16個神經(jīng)元將用16個小燈顯示，組成4×4的方陣。Hopfield聯(lián)想記憶網(wǎng)絡記憶容量的上限為0.15N，此時N=16，則記憶容量為0.15×16=2.4，即可以記住至多兩個穩(wěn)定狀態(tài)，這里為了方便起見，讓網(wǎng)絡記住了一個穩(wěn)定狀態(tài)，即圖案4。網(wǎng)絡運行時可以輸入形似4的圖形，讓網(wǎng)絡自行運行，網(wǎng)絡會一步一步趨向設定的穩(wěn)定狀態(tài)。這就類似于人腦的聯(lián)想記憶功能，即看到類似于自己曾經(jīng)記憶過的圖形，會聯(lián)想起以前的圖形。四、實驗步驟

1、熟悉使用Max+plusⅡ開發(fā)的流程在ALTERA公司MAX+PLUSⅡBaseline環(huán)境下，其設計流程如下：建立新項目選FileProject→Name為新項目命名。編輯電路采用原理圖輸入法在GraphicalEditor中編輯電路。采用文本輸入法用VHDL語言在TextEditor中編輯電路。存儲、檢查及編譯編輯完成后：選Assign→Device做CPLD芯片的型號設置。選Assign→GlobalProjectDeviceOption做ConfigurationScheme傳輸模式設置。選Assign→GlobalProjectLogicSynthesis做Style設置。選File→Project→Save&Compile作電路圖存檔及編譯。功能仿真在MAX+PLUSII→WaveformEditor中做輸入波形的定義及存儲。打開仿真器(Simulator)仿真電路。管腳配置(Floorplan)與編譯在MAX+PLUSⅡ→FloorplanEditor中做CPLD的IC管腳設定。管腳設定完后，選File→Project→Save&Compile做存檔及編譯。程序下載(Programming)MAX+PLUSⅡ自配的下載程序：MAX+PLUSⅡ→Programmer→byteblaster下載程序：編譯正確完成后，執(zhí)行Dnld3或Dnldl0程序，載入結(jié)構位元于下載板中。在開發(fā)系統(tǒng)中仿真或下載存于SEEPROM內(nèi)，便于開機自動執(zhí)行。電路功能測試選按Dnld3或Dnldl0程序中的Config按鈕，重置并執(zhí)行芯片中的電路，并測試電路功能。2、人工大腦簡單記憶功能的實現(xiàn)在熟悉了MAX+PLUSⅡ進行FPGA/CPLD開發(fā)過程的基礎上，我們進行人工大腦簡單記憶功能的實現(xiàn)。由于神經(jīng)元結(jié)構的抽象性，并且為了能將神經(jīng)網(wǎng)絡的原理更加清晰的展現(xiàn)給讀者，我們選擇直接用硬件描述語言進行編程描述。（1）設計in_1_1，in_1_2等16個輸入端口和l_1_1，l_1_2等16個與之對應的輸出端口。（實際上是設想中的16個小燈組成的4×4的矩陣。）（2）W_1_1，W_1_2分別代表神經(jīng)元1到神經(jīng)元1、2的連接權值，直到W_16_16，共256個連接權值。設m1，m2…m16，共16個中間變量，h_1至h_16共16個比較變量，用于比較加權后的結(jié)果與0之間的大小關系。（由于輸入與輸出都是位運算，即0或者1兩種狀態(tài)，因此在計算過程中要變?yōu)?1和1兩種狀態(tài)，這樣既簡便易懂又與理論貼近，這就需要把輸入賦值給中間變量的過程中轉(zhuǎn)換狀態(tài)，最后再把計算結(jié)果變成0和1輸出。）（3）中間變量操作

IF（an（1）='0'）THENm1:=-1;ELSEm1:=1;ENDIF;這個語句用16次，即可將輸入轉(zhuǎn)化為中間變量要使用的-1和1兩值狀態(tài)。（4）加權計算與判斷h是每個神經(jīng)元的加權和，用以和0比較大小進而決定該神經(jīng)元下一個時刻的輸出。加權語句為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，各個m為其他神經(jīng)元本時刻的輸出，w為對應的權值，在程序開始時已經(jīng)根據(jù)目標狀態(tài)由計算得出并設定好。共有16個這樣的語句，分別與16個神經(jīng)元的判斷機制相對應。得出相加結(jié)果后，再判斷其與0的大小關系，并依此為輸出及下一個狀態(tài)賦值。其語句如下：IF（h_1>0）THENan（1）<='1';ELSEan（1）<='0';ENDIF;同樣，這樣的語句有16個，將計算結(jié)果又返回給神經(jīng)元的輸出而顯示出來，同時又為下一次計算準備了數(shù)據(jù)。（5）整個過程需要嵌套在一個大的系統(tǒng)循環(huán)里面，以系統(tǒng)時鐘信號的上升沿為激活信號。使得每有一個時鐘上升沿來臨時，系統(tǒng)運行一次計算，這樣一直迭代計算下去。其具體實現(xiàn)語句為：

IF（clk'EVENTANDclk='1'）THENENDI