G语言系统模型转换与验证的研究
这是一篇关于G语言,编译器,LALR(1),G2ANSI-C,G2Promela的论文, 主要内容为G语言是一种基于数据流的程序化框图语言,内部有多种完全封装的算法模块,其应用领域非常广。目前,G语言未列入ANSI标准语言,且与NI(National Instruments)硬件绑定使用。为了保留现有的算法模块及已经在产品中应用的成熟算法,并降低硬件产品的成本,有必要将G语言转化为某种国际标准语言,以兼容通用硬件平台。ANSI-C是一种在嵌入式开发领域最受欢迎的语言,可以应用于多种硬件产品。因此,设计实现一种G2ANSI-C系统模型转化平台,拓展G语言的应用范围,并实现软硬件的解耦是亟需解决的问题之一。目前,G语言开发的智能产品,越来越多地走入了人们的生活,故对于产品的可靠性和安全性就提出了更高的要求。采用G语言进行系统设计时,涉及控制后台逻辑的程序化框图和负责与人交互的前面板,对其进行阅读、检查时比较困难,且没有针对其进行检测的工具。一般地,对系统进行检测,可以利用手动代码演练、同行评审、静态源代码分析、简单的旧单元和集成测试等,这些方法虽然可以有效地捕捉错误,但它们检测的效率较低。因此,需要利用自动化验证工具SPIN对G语言系统进行系模型验证,即实现G2Promela是亟需解决的问题之二。本文设计并实现了G2ANSI-C和G2Promela。其技术框架采用编译器的三层经典架构进行的,即前端-中端-后端,并进行了一系列改进和优化。在整体系统的实现中,二者共享一个前端,中端完成了基于创建的G2ANSI-C与G2Promela映射表进行优化的工作,后端是分别对G2ANSI-C与G2Promela优化结果的输出。在前端设计中,主要利用了FA算法和正则表达式理论完成Token集的获取,利用改良的BNF范式完成了文法规则的设计,采用改进的算法LALR(1)进行了语法分析构建AST,其中分析表的构建是研究的重点。在课题研究过程中通过对三种语言的规则分析比对,创建了G2ANSI-C映射表以及G2Promela映射表。基于这两个表,对中端的优化工作分别进行分类实现。在G2ANSI-C的转化中,中端采用了DFS深度优先算法对抽象语法树遍历,完成了对关键字替换、冗余代码消除、运算符处理、IO流变量识别及被调函数黑盒转换的优化工作。在G2Promela的转化中,为保证G语言的主体逻辑保持不变,从关键字、变量、方法函数、基本结构及指针等方面进行优化,使G语言的各个Token都符合Promela的规范,从而成功建模完成验证。在目标代码的输出阶段,在同一个模块HeaderCodeGen下,采用DFS遍历方式依次获取叶子结点,并输出到.pml后缀的文件内。在获取生成的目标代码ANSI-C后,利用Modex工具进行建模,并采用SPIN工具对其进行自动化验证。在获取Promela模型后,直接在SPIN工具中进行验证。验证工作经过Syntax Check、Redundancy Check、Symbol Table、Automata View、Simulate Replay及Verification 6个阶段,包含模型异常、进程流程、运行时间、是否存在死锁、存储容量大小及可达路径深度等多项指标。最终,通过对结果的分析,得出生成的ANSI-C程序各项指标均优于直接从G语言提取的模型,验证了所构建的模型转换和验证系统的有效性。基于本文构建的系统,可以实现G语言平台的解耦,扩展了G语言应用范围,同时为G语言提供了自动化验证手段,具有很强的理论和实用价值。
尺寸测量标准语言编译系统的设计与实现
这是一篇关于尺寸测量接口标准,编译器,尺寸测量设备,计算机辅助设计的论文, 主要内容为尺寸测量接口标准(Dimensional Measuring Interface Standard,DMIS)是智能制造系统中用于统一测量设备和计算机系统之间数据交换的通信标准,目前已被全世界测量设备制造商广泛采用。然而DMIS标准只制定了一种通信标准和语法规则,唯有实现它的编译器才能真正应用于实际中。研制出自己的DMIS编译器对于突破国外的“卡脖子”项目,提高我国制造业的独立自主创新能力有着极为重要的意义。DMIS程序依托于尺寸测量设备和测量软件运行,它指挥测量设备按照特定的步骤执行特定的操作。根据DMIS标准的特点,设计并实现了一个DMIS语言编译系统,它提供了可供用户编辑DMIS程序的用户图形界面,它解析用户输入的DMIS程序并将其以抽象语法树的形式保存,并根据语法树中的语义信息指挥测量设备执行相应的测量操作。基于DMIS 5.2版本的语法规则设计并实现了它的编译系统,并集成到了实际项目环境中。主要工作内容包括以下:(1)参照编译原理,完成了符合DMIS标准的编译系统的总体结构设计,以及包括生成器、词法分析器、语法分析器、语义分析和语句执行在内的各个子模块的设计。(2)使用Qt开发编译系统的前端用户界面,即生成器模块。(3)通过分析DMIS的构词规则,用正则表达式描述词法规则,并采用Flex工具构建词法分析器。(4)通过分析DMIS的语法规则,用上下文无关文法描述语法规则,并采用Bison工具构建语法分析器。(5)在进行语法分析的过程中完成了语义分析的工作,主要包括构建抽象语法树和符号表,同时进行静态语义检查的工作。(6)编写执行函数库,在解析语法树时,会根据语法树节点储存的信息调用函数库中的执行语句。在对编译系统的各个子模块进行的单独测试中,以及在集成至测量软件系统后的总体测试中,各个子模块均能够成功工作,各项功能均达到预期的设计目标。
全自动尿液分析仪中运动控制系统的设计与实现
这是一篇关于体外诊断设备,运动控制,可编程,编译器,网络通讯的论文, 主要内容为随着医疗行业体外诊断设备的不断发展,信息化、网络化、自动化程度持续提升,从半自动血球分析仪到全自动生化分析仪,从手动进样的干化学分析仪到全自动进样的尿液分析仪,IVD(In Vitro Diagnostic体外诊断)设备不可逆转的朝着全自动化流水线的方向发展,从而体外诊断设备开发对其内部运动控制系统的设计也提出更高的要求。多设备、多运动控制卡组合开发,大量并行、循环、条件分支的运动逻辑也加入系统设计中来。在医疗领域,传统运动控制设计模式大多移植于数控领域的运动控制卡组合方式。由于数控领域与医疗领域的应用区别,如何在多运动卡之间编程组合运动逻辑始终是长期困扰研究人员的问题。本论文分析了国内外运动控制系统的现状,对IVD设备中运动控制系统进行了需求分析和设计。提出适合IVD行业设备内多运动控制卡的组合设计,使用了统一的上位机运动资源配置,将设备的整体运动逻辑统一在上位机编辑,并通过编译原理的运用解决了任意运动逻辑的表达问题。此运动控制系统的设计与实现,将IVD设备的运动控制开发与实际产品的硬件分离开来,有效的提高了产品运动控制开发的效率,大大降低了关键技术的实现复杂度。本论文摒弃了原有IVD行业中上中下三位机运动逻辑分离式的设计,通过设备内网络路由器实现多运动控制卡与上位机的连接,运动控制卡(下位机)硬件统一设计,运动卡的运动逻辑抽象为统一独立的单步运动,所有系统运动的并行、顺序、条件分支、条件循环等都由上位机运动脚本编辑完成。系统通过设计扩展结构化INI配置文件,达到类数据库的可视化数据存储能力;并通过select管理调度多运动控制卡网络通讯;同时,在系统配置工具中增加了可视化的单步调试功能,便于运动逻辑的调试与二次开发。本运动系统开发完成后,进行了系统功能测试、系统集成测试和系统性能测试。该系统实现了预期的设计需求,在任意运动逻辑表达上满足IVD设备内运动开发的需求,同时设计了运动系统开发与维护的分离,在不改变硬件及下位机软件的基础上实现了运动控制二次开发的能力。
基于卷积神经网络的目标检测加速方案研究
这是一篇关于卷积神经网络,加速器,目标检测,编译器的论文, 主要内容为在卷积神经网络中,深度学习技术凭借其强大的特征提取能力、较强的分类能力,近年来在自然语言处理、语音识别、计算机视觉等领域都有广泛应用。但这种优异性能依赖于大量的参数量和计算量,随着卷积神经网络应用领域的不断扩大,与之对应的是需要有更好的硬件平台,其中就包括更高的计算能力和更好的数据带宽。目前行业内的佼佼者都在致力于挖掘各种基于芯片的解决方案。而CPU和GPU更高的功耗以及需要根据场景进行布置,此方法已经很难满足日常需求。因此通过专用硬件对卷积神经网络进行加速逐渐成为深度神经网络的重要发展趋势。为了卷积神经网络经济效率最大化目标,就必须实现硬件加速器通用化。有鉴于此,本课题基于神经网络加速器,对目前主流神经网络目标检测模型进行加速,在保证通用性的前提下,完成了加速的目标。本文的研究工作主要如下:通过对神经网络加速器体系架构以及内部各运算单元计算特性进行研究,完成加速器各功能寄存器的配置,在控制通路设计了一种FIFO状态信号配合多级流水的控制结构,解决访存模块相邻单元数据吞吐率不一致、跨时钟域传输、控制路径时序错误问题。对加速器各模块核心算法进行研究,设计加速器卷积模块与池化模块联合运行的工作模式,减少加速器对系统内存的频繁访问,提高数据带宽。通过对加速器内部数据通信方式的研究,完善内部总线协议并设计协议转换模块,为加速器与片上系统的集成提供条件,实现对加速器硬件系统的封装。通过对神经网络加速器软件开发环境的研究,分析编译器对神经网络的调用方式,提出模型量化方法,完成对目前主流神经网络模型的量化,设计数据格式转换程序,将量化后的模型转换为编译器所支持的数据结构,成功对网络模型进行压缩并完成编译。通过对运行时程序的研究,设计用户驱动程序,搭建虚拟测试平台,联合系统内核驱动,在虚拟测试平台实现卷积神经网络的正常运行。基于FPGA搭建神经网络加速器硬件平台,将加速器内部RAM代码转化为行为级描述,完成对加速器板上LUT资源的优化,使用APB与AXI总线协议对加速器进行FPGA映射。通过Petalinux植入嵌入式操作系统,优化加速器系统设备树,完成加速器硬件系统与软件环境的搭建。本文基于ZCU102开发板,完成神经网络加速器硬件优化以及软件设计,以手写数字识别网络对搭建的加速器硬件系统进行测试,系统工作频率为100 MHz,平均一张手写数字识别时间为2 ms。最后对目标检测网络进行实现,在仅消耗25%的板卡资源下,完成对目标进行识别,其速度可达16帧。
尺寸测量标准语言编译系统的设计与实现
这是一篇关于尺寸测量接口标准,编译器,尺寸测量设备,计算机辅助设计的论文, 主要内容为尺寸测量接口标准(Dimensional Measuring Interface Standard,DMIS)是智能制造系统中用于统一测量设备和计算机系统之间数据交换的通信标准,目前已被全世界测量设备制造商广泛采用。然而DMIS标准只制定了一种通信标准和语法规则,唯有实现它的编译器才能真正应用于实际中。研制出自己的DMIS编译器对于突破国外的“卡脖子”项目,提高我国制造业的独立自主创新能力有着极为重要的意义。DMIS程序依托于尺寸测量设备和测量软件运行,它指挥测量设备按照特定的步骤执行特定的操作。根据DMIS标准的特点,设计并实现了一个DMIS语言编译系统,它提供了可供用户编辑DMIS程序的用户图形界面,它解析用户输入的DMIS程序并将其以抽象语法树的形式保存,并根据语法树中的语义信息指挥测量设备执行相应的测量操作。基于DMIS 5.2版本的语法规则设计并实现了它的编译系统,并集成到了实际项目环境中。主要工作内容包括以下:(1)参照编译原理,完成了符合DMIS标准的编译系统的总体结构设计,以及包括生成器、词法分析器、语法分析器、语义分析和语句执行在内的各个子模块的设计。(2)使用Qt开发编译系统的前端用户界面,即生成器模块。(3)通过分析DMIS的构词规则,用正则表达式描述词法规则,并采用Flex工具构建词法分析器。(4)通过分析DMIS的语法规则,用上下文无关文法描述语法规则,并采用Bison工具构建语法分析器。(5)在进行语法分析的过程中完成了语义分析的工作,主要包括构建抽象语法树和符号表,同时进行静态语义检查的工作。(6)编写执行函数库,在解析语法树时,会根据语法树节点储存的信息调用函数库中的执行语句。在对编译系统的各个子模块进行的单独测试中,以及在集成至测量软件系统后的总体测试中,各个子模块均能够成功工作,各项功能均达到预期的设计目标。
基于范式的MSVL编译器的设计与实现
这是一篇关于时序逻辑,形式化验证,MSVL,范式,编译器的论文, 主要内容为由于计算机技术在各个领域中的广泛应用,确保软件系统和硬件系统的正确性和可靠性显得非常关键。特别是在一些重要领域,例如航空航天、军事武器等,软硬件系统中的一个微小的错误可能会导致巨大的损失。在这些重要领域中,传统软件测试方法存在测试用例生成困难等缺点以致难以保证系统的可靠性,因此形式化验证方法作为传统软件测试方法的补充是保障系统可靠性的重要途径之一。其中基于时序逻辑的验证方法是形式化验证的方法之一,并得到了广泛的应用。实验室基于PTL(Projection Temporal Logic)自主设计并研发了MSVL(Modeling,Simulation and Verification Language)程序设计语言。该语言具有建模、仿真及验证的功能。与此同时,实验室基于MSVL的理论,自主研发了MSVL解释器和MC(MSVL Compiler)工具。MC工具虽然提高了编译MSVL程序的速度,但是其内部的语义分析过程是非形式化的,因此违背了MSVL的设计初衷。本文主要研究了一个基于范式的MCⅡ(MSVL CompilerⅡ)的设计与实现,主要贡献如下:1.MCⅡ整体框架和模块功能的设计与实现。通过使用LLVM(Low Level Virtual Machine)工具进行MCⅡ的开发,LLVM中间表示IR(Intermediate Representatio n)作为MCⅡ的中间代码。围绕着MCⅡ的输入处理模块、预处理模块、词法语法分析模块、语义分析库模块、转换器模块、IR代码重组模块、后端模块以及错误处理模块进行了详细的介绍。其中,MCⅡ中最关键的是通过使用范式约简的方法确保语义分析库中的语义分析过程是形式化的。2.在IR层面对MCⅡ进行优化,详细地介绍了优化方案,通过程序示例,获取优化前、优化后的编译时间,并进行对比,证明该优化的有效性。3.解决了MCⅡ实现过程中遇到的关键问题,比如形式化语义分析的关键问题以及与系统平台相关的关键问题,对问题和解决方法都进行了详细的说明。4.使用MSVL语言编写矩阵乘法、求解四阶幻方和并行归并排序的示例程序,并对程序进行仿真,证明了MCⅡ的可用性以及实用性。
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