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关键词： 卷积神经网络   近似计算   激活函数   近似乘法器  

摘要： 卷积神经网络被广泛应用于智能科技领域,对于硬件网络而言,硬件资源的高消耗必然会导致电路元件的损耗,限制可穿戴智能设备的使用体验。因此,本次设计利用卷积神经网络高容错率的特点针对近似计算展开研究,设计一种误差可控的分段线性拟合方法对网络中激活函数进行近似设计,以及设计一种近似4-2压缩器对网络中的乘法运算近似设计。将设计的近似运算电路部署在卷积神经网络的硬件设计中,测试近似电路对硬件神经网络在精度和硬件性能上的影响。主要的研究内容如下: (1)近似函数的设计研究,基于分段逼近(PWL)方法,针对非线性激活函数设计一种通过最大绝对误差(MAE)逼近分段的方法将激活函数分成若干个非均匀分段函数,将激活函数中复杂的指数运算和除法运算简化为线性计算,改进函数运算电路,优化电路面积。 (2)近似乘法器的研究,根据堆叠电路的思路设计了一种新的4-2近似压缩器,采用这种近似压缩器以及其他精确加法器在8×8乘法器的部分积累加过程中进行近似设计,实现一种新的近似乘法器结构,优化乘法器的电路面积。同时,通过分析部分积概率问题,设计压缩过程中近似压缩器的部分积接入顺序,改进乘法器的误差性能。 基于Lenet-5网络进行模型训练以及硬件系统的实现,在卷积层和全连接层的电路实现中采用近似乘法器设计运算核,在激活函数的电路设计中采用近似分段函数设计运算电路。通过搭建一个基于MNIST数据集的手写数字识别系统测试硬件网络的精度,结果显示近似计算实现的硬件网络识别精度最高可以达到98.2%;在硬件性能方面,FPGA综合报告显示卷积层和全连接层的近似运算核比精确运算核的查找表资源分别节省了67.2%和15.6%,近似函数运算核比激活函数的精确运算核节省了44.7%的查找表资源。在SMIC14nm工艺库下的DC综合结果显示,相比较精确运算电路的运算速度、功耗以及面积,卷积层近似运算核分别提升了34.0%、34.8%以及41.3%,激活函数的近似运算电路分别改进了26.9%、40.4%以及39.6%,全连接层近似运算核分别达到了11.7%,39.75%以及25.7%。

关键词： 硬件设计   信息流跟踪   安全漏洞   时间侧信道   硬件木马  

摘要： 长期以来硬件作为计算机系统的信任根备受信任且被视为安全可靠的。但是,近年来不断涌现的硬件安全问题却揭示出硬件系统中存在众多安全漏洞。若攻击者利用这些安全漏洞攻击计算机系统时,可能会造成关键信息的泄露、篡改、系统功能的丧失甚至损毁等。目前,硬件设计验证技术多针对设计功能正确性检查,由于缺乏相应安全模型,难以检测违反安全策略的安全漏洞。因而,亟待研究能够在硬件设计早期验证可建模设计安全行为与分析设计安全性检测安全漏洞的方法和技术。本文在信息流理论框架下采用信息流跟踪技术研究高抽象层次硬件设计的安全模型和检测安全漏洞的方法。主要内容如下: (1)在门级抽象层次研究硬件设计的安全模型,构建可捕捉有害信息流的硬件设计安全模型和检测设计安全漏洞的形式化验证方法。本文在门级抽象层次提出了混合属性概念,结合信息流跟踪技术从信息流安全角度对设计安全行为进行建模,构建门级设计的混合属性安全模型。该模型为门级设计网表的每个逻辑单元分配包含安全属性和时域属性的混合属性标签,并依照一定的标签传播策略由设计输入向输出传播混合属性标签并计算输出的混合属性标签。通过跟踪混合属性标签的传播,该模型能够有效捕捉由设计安全漏洞所引发有害时间信息流、显式流、隐式流。此外,基于门级抽象层次的混合安全属性模型,本文提出了通过验证系统执行时间不变性属性和安全属性检测硬件安全漏洞,能够解决基于门级信息流安全模型的安全验证方法无法有效甄别时间侧信道安全漏洞与其它安全漏洞的短板。实验结果表明,该方法能够在设计早期有效的检测和甄别设计内潜藏的硬件时间侧信道安全漏洞。 (2)在寄存器抽象层次研究硬件设计的安全模型,构建可捕捉有害信息流的硬件设计安全模型和检测设计安全漏洞的形式化验证方法。本文在二级安全理论下,以信息流分析方法为基础研究寄存器传输级设计安全模型的精确标签传播规则,构建了寄存器传输级设计复杂操作语句的安全标签跟踪逻辑。该逻辑可附加在原始设计中,在不改变设计功能的情况下,精确捕捉设计内全部的隐式流和显式流,建模设计的安全行为。在此基础上,本文进一步提出了大规模寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型的建模方法。该方法能够解析寄存器传输级设计的抽象语法树,并从数据流和控制流角度按照精确标签传播规则对设计语句插入相应的安全标签跟踪逻辑,自动化地生成设计的寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型。此外,本文基于寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型,提出了通过安全属性检测安全漏洞的形式化验证方法。该方法利用寄存器传输级设计安全标签跟踪逻辑模型的安全行为描述能力,结合基于断言的安全属性验证方法,利用EDA测试验证工具,验证设计中是否存在违反信息流安全策略的情况,检测设计内潜藏的安全漏洞。实验结果表明,该方法能够在设计早期有效检测和甄别设计内潜藏的硬件安全漏洞。

关键词： 汽车维修专业   CAN总线通信系统   车窗控制系统   硬件电路设计   软件程序设计  

摘要： 随着汽车电子化的发展，CAN总线通信系统在汽车维修专业中的重要性日益凸显。本文探讨了基于CAN的车窗控制系统，结合硬件电路和软件程序设计以及示波器和CAN分析仪的使用，来加深学生对CAN总线通信系统原理和协议及数据收发过程的理解。这种实践性学习方法能够增强学生的学习兴趣，提高学生的创新能力，为未来做好汽车维修等岗位工作打下坚实基础。

关键词： 浅压缩   模式决策   比特代价   绝对误差和(SAD)  

摘要： 提出一种数字音视频编解码技术标准(Audio Video coding Standard,AVS)浅压缩模式决策算法的硬件实现方案,为面向低延时的浅压缩场景提供更加适配的编码方案,并减少使用的硬件资源。该方案通过计算不同预测模式下编码当前像素块所需的比特代价和不同预测模式下重建像素块与原始块的绝对误差和(Sum of Absolute Difference,SAD)值,快速决策出最优的预测模式,提高了系统的效率和稳定性,使得系统在图像质量和处理速度两个方面都能够得到良好的性能,有效改善面向低延时浅压缩场景的编码效果,更好地满足实际应用需求。

关键词： 数字逻辑   计算机硬件   设计基础   分析探讨  

摘要： 本文将对数字逻辑与计算机硬件设计的基本原理和方法进行详细分析。首先介绍数字逻辑的定义和作用,包括二进制系统、布尔代数和逻辑门电路等基本概念。其次探讨组合逻辑和时序逻辑,介绍常见的逻辑门和触发器设计。再次讨论编码器、解码器和多路选择器等重要的数字逻辑电路,并介绍如何使用Karnaugh图进行最小化逻辑功能的实现。最后,本文将深入讨论计算机硬件设计的基本原理,包括中央处理器(CPU)、存储器和输入输出设备等方面。

关键词： NB-IoT   智能感知   设备组网   硬件设计  

摘要： 随着物联网技术的迅速发展,NB-IoT技术以其低功耗、广覆盖和高连接密度的优势,适应了各种智能感知设备在复杂环境下的通信需求。智能感知设备收集环境数据、用户交互信息等都需要高效的网络技术支撑其数据传输和处理。本文从智能感知设备的功能和网络通信需求出发,详细论述了基于NB-IoT的智能感知设备组网硬件的设计方法,包括天线设计与信号优化、高效的电源管理系统设计、设备的可扩展性与模块化设计以及传感器和NB-IoT模块的优化集成,最后通过应用测试验证了设计的有效性。

关键词： AES S盒   严格雪崩准则距离   仿射变换   代数性质   硬件设计  

摘要： 为提高高级加密标准(advanced encryption standard, AES)算法的安全性,提出了一种新的S盒生成方案。在分析了现有S盒存在的问题后,基于S盒的构造原理和密码学性质,通过选择新的不可约多项式和仿射变换对,同时调整仿射变换与乘法逆的运算顺序,构造出一种新的S盒;对生成的新S盒与AES的S盒以及其他改进S盒在代数式项数、严格雪崩标准距离等方面进行了比较,结果显示,新S盒具有更好的代数性质,能够有效抵御代数攻击;还对新S盒进行了硬件设计并优化,DC综合结果显示新S盒复域优化实现消耗的资源比传统复域实现少12%,比查找表法实现少41%。新S盒在安全性方面优于现有S盒,将其应用于AES软件设计和硬件设计,并通过仿真测试验证了其正确性。