用于執(zhí)行基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于執(zhí)行基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算的方法和裝置。一種用于在集成的控制組件（1）內(nèi)計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元（3）包括：計(jì)算核芯（31），其被構(gòu)造用于執(zhí)行算法的純粹基于硬件的計(jì)算，其中，算法執(zhí)行至少一個(gè)循環(huán)計(jì)算；以及中斷單元（32），其被構(gòu)造用于詢問(wèn)中斷條件，以便根據(jù)中斷條件的存在中斷在計(jì)算核芯（31）內(nèi)的循環(huán)計(jì)算，以及被構(gòu)造用于提供循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果以及循環(huán)計(jì)算的與此有關(guān)的計(jì)數(shù)器值用于恢復(fù)計(jì)算。
【專利說(shuō)明】用于執(zhí)行基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在帶有模型計(jì)算單元的集成的控制組件中基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的計(jì) 算，所述模型計(jì)算單元被構(gòu)造用于純粹基于硬件地計(jì)算函數(shù)模型。

【背景技術(shù)】
[0002] 由現(xiàn)有技術(shù)已知若干控制器，這些控制器帶有集成的控制組件，集成的控制組件 帶有主計(jì)算單元和單獨(dú)的模型計(jì)算單元以計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型。因此文獻(xiàn)DE 10 2010 028 266 A1示出了一種控制組件，其帶有附加的邏輯電路作為模型計(jì)算單元，模型計(jì)算單元 被構(gòu)造用于純粹基于硬件地計(jì)算指數(shù)函數(shù)和加法運(yùn)算及乘法運(yùn)算。這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了，在一個(gè) 硬件單元內(nèi)支持尤其是計(jì)算高斯過(guò)程模型所需的貝葉斯回歸方法的計(jì)算。
[0003] 模型計(jì)算單元總體上被設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行用于在參數(shù)和取樣點(diǎn)或訓(xùn)練數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的數(shù)學(xué)過(guò)程。用于有效計(jì)算指數(shù)函數(shù)和累積函數(shù)的模型計(jì)算單元 的函數(shù)尤其純粹在硬件中被實(shí)現(xiàn)，因而它使得用比在軟件控制的主計(jì)算單元中進(jìn)行的計(jì)算 速度更高的計(jì)算速度來(lái)計(jì)算高斯過(guò)程模型成為可能。
[0004] 配置數(shù)據(jù)通常在模型計(jì)算單元計(jì)算之前就被準(zhǔn)備好且緊接著通過(guò)模型計(jì)算單元 的硬件進(jìn)行函數(shù)模型的基于配置數(shù)據(jù)的計(jì)算，其中，配置數(shù)據(jù)包含參數(shù)(超參數(shù)）和用于計(jì) 算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)或在地址域上的地址指示器，在地址域上儲(chǔ)存著取樣 點(diǎn)數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 按照本發(fā)明，規(guī)定了按權(quán)利要求1所述的用于在集成的控制組件內(nèi)計(jì)算基于數(shù)據(jù) 的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元和按并列權(quán)利要求所述的方法。
[0006] 本發(fā)明的其它有利的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。
[0007] 按照第一個(gè)方面，規(guī)定一種用于在集成的控制組件內(nèi)計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的 模型計(jì)算單元，其包括： -計(jì)算核芯，其被構(gòu)造用于執(zhí)行算法的純粹基于硬件的計(jì)算，其中，算法執(zhí)行至少一個(gè) 循環(huán)計(jì)算；以及 -中斷單元，其被構(gòu)造用于詢問(wèn)中斷條件，以便根據(jù)中斷條件的存在中斷循環(huán)計(jì)算，以 及被構(gòu)造用于提供循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果以及循環(huán)計(jì)算的與此有關(guān)的計(jì)數(shù)器值用于恢復(fù)計(jì) 算。
[0008] 當(dāng)在模型計(jì)算單元中要求有較高優(yōu)先權(quán)的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的這種計(jì)算時(shí)，使 用傳統(tǒng)的用硬件實(shí)施的模型計(jì)算單元通常無(wú)法中斷有較低優(yōu)先權(quán)的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型 的計(jì)算。
[0009] 上述方法的一種思想在于，在一個(gè)在硬件中實(shí)施的模型計(jì)算單元中規(guī)定基于數(shù)據(jù) 的函數(shù)模型的計(jì)算的可中斷性。當(dāng)有較低優(yōu)先權(quán)的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的計(jì)算必須被有較 高優(yōu)先權(quán)的基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的計(jì)算替代或必須被中斷時(shí)，例如可能需要計(jì)算的可中斷 性。當(dāng)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間光柵的基于時(shí)間片的計(jì)算被有較短的時(shí)間光柵的另一個(gè)基于切換時(shí) 間的計(jì)算中斷時(shí)，可能例如出現(xiàn)這種情況。
[0010] 此外可能出現(xiàn)這樣的情況，即，內(nèi)部的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間受到限制且這個(gè)存儲(chǔ)空 間無(wú)法儲(chǔ)存用于基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的所有取樣點(diǎn)。在這種情況下，通過(guò)中斷計(jì)算的計(jì)算 暫?？梢员挥脕?lái)重新加載其它的取樣點(diǎn)以及改寫不再需要的取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0011] 如上所述，迄今為止的在硬件中實(shí)施的模型計(jì)算單元通常不規(guī)定計(jì)算的中斷。為 了避免模型計(jì)算單元在一段過(guò)長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)阻止基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的已經(jīng)開始的計(jì) 算，可以將基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型拆分成較小的子模型，子模型的階段結(jié)果緊接著例如通過(guò) 相加被聚集在一起。但由此延長(zhǎng)了計(jì)算持續(xù)時(shí)間，因?yàn)橛绕涫切枰糜谠谲浖刂频挠?jì)算 單元中單個(gè)計(jì)算的每一次中斷和每一次重新啟動(dòng)的額外的處理耗費(fèi)。
[0012] 上述方法提供了這樣的優(yōu)勢(shì)，即，模型計(jì)算單元在持續(xù)的計(jì)算期間在固定的時(shí)間 點(diǎn)上或任何時(shí)候都可以通過(guò)主計(jì)算單元的相應(yīng)的指令被停止。由此可以釋放用于有較高優(yōu) 先權(quán)的另一個(gè)基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的計(jì)算的模型計(jì)算單元的計(jì)算能力，而不必等待有較低 優(yōu)先權(quán)的、之前被計(jì)算的、基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的結(jié)束。原則上可以由此實(shí)現(xiàn)中斷，即，在計(jì) 算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型期間在特定的時(shí)間點(diǎn)上提供計(jì)算停止的可行方案。
[0013] 此外，模型計(jì)算單元可以被構(gòu)造用于可調(diào)用地儲(chǔ)存階段結(jié)果和計(jì)數(shù)器值或?yàn)榱擞?jì) 算的恢復(fù)而將它們分類存放。以此方式可以暫存延續(xù)計(jì)算所需的信息以及到那時(shí)候被執(zhí)行 的計(jì)算的已達(dá)到的階段結(jié)果，以便在之后的時(shí)間點(diǎn)上能夠重新延續(xù)被中斷的計(jì)算。
[0014] 可以規(guī)定，算法具有一個(gè)內(nèi)部的和一個(gè)外部的循環(huán)計(jì)算，在這些循環(huán)計(jì)算中，分別 由循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果形成了總和，其中，中斷單元被構(gòu)造用于在實(shí)施外部的循環(huán)的數(shù)量 可預(yù)定的循環(huán)計(jì)算之后詢問(wèn)中斷條件。
[0015] 按照一種實(shí)施形式，設(shè)置一種可寫的配置寄存器，其中，為了確定中斷條件的存 在，可以詢問(wèn)配置寄存器的寫入或內(nèi)容。
[0016] 尤其可以設(shè)置一個(gè)信號(hào)輸入端，其中，作為中斷條件可以詢問(wèn)在信號(hào)輸入端上的 中斷信號(hào)。
[0017] 可以規(guī)定，模型計(jì)算單元被構(gòu)造用于，通過(guò)循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果的設(shè)置以及循環(huán) 計(jì)算的循環(huán)計(jì)數(shù)器值來(lái)執(zhí)行之前被中斷的計(jì)算的恢復(fù)。
[0018] 模型計(jì)算單元可以被構(gòu)造用于計(jì)算貝葉斯回歸。
[0019] 按照另一個(gè)方面，設(shè)置一個(gè)尤其是用于帶有內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制組件，該 控制組件包括一個(gè)用軟件控制的主計(jì)算單元和上述的模型計(jì)算單元。
[0020] 此外，主計(jì)算單元可以寫模型計(jì)算單元的配置寄存器，以便預(yù)定中斷條件。
[0021] 按照另一個(gè)方面，規(guī)定一種用于在上述的模型計(jì)算單元內(nèi)計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模 型，尤其是高斯過(guò)程模型的方法，其中，函數(shù)模型通過(guò)純粹在硬件中實(shí)施的算法進(jìn)行計(jì)算， 其中，該算法被構(gòu)造用于執(zhí)行至少一個(gè)循環(huán)計(jì)算，其中，根據(jù)中斷條件的存在來(lái)中斷循環(huán)計(jì) 算，其中，循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果和循環(huán)計(jì)算的計(jì)數(shù)器值被儲(chǔ)存且提供給模型計(jì)算單元用于 重新計(jì)算。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 接下來(lái)借助附圖詳細(xì)闡釋本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施形式。附圖中： 圖1示意性示出了用于集成的控制組件的硬件體系結(jié)構(gòu)； 圖2是說(shuō)明用于中斷在模型計(jì)算單元內(nèi)的計(jì)算的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 圖1示意性示出了一個(gè)用于例如形式為微控制器的集成式控制組件1的硬件體系 結(jié)構(gòu)，在微控制器中以集成的方式設(shè)置一個(gè)主計(jì)算單元2和一個(gè)用于純粹基于硬件地計(jì)算 基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元3。主計(jì)算單元2和模型計(jì)算單元3通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的 通信連接裝置4,例如通過(guò)系統(tǒng)總線，相互通信連接。
[0024] 原則上模型計(jì)算單元3基本上被硬布線且與此對(duì)應(yīng)地并不構(gòu)造用于執(zhí)行如在主 計(jì)算單元2中那樣的軟件代碼。作為備選，這樣一個(gè)解決方案也是可行的，在該解決方案 中，用于計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元3提供了受限制的、高度專業(yè)化的指令 數(shù)據(jù)組。在模型計(jì)算單元3中不設(shè)任何處理器。這一點(diǎn)能夠優(yōu)化資源地實(shí)現(xiàn)這種模型計(jì)算 單元3或使得以集成的構(gòu)造方式構(gòu)造的面積優(yōu)化的結(jié)構(gòu)成為可能。
[0025] 模型計(jì)算單元3具有一個(gè)計(jì)算核核芯31，其純粹在硬件中執(zhí)行預(yù)定的算法的計(jì) 算。計(jì)算核芯31與中斷單元32連接，當(dāng)存在中斷條件時(shí)，中斷單元將算法的計(jì)算的中斷信 號(hào)化。模型計(jì)算單元3此外還可以包括一個(gè)用于儲(chǔ)存配置數(shù)據(jù)的本地SRAM 33。模型計(jì)算單 元3同樣可以包括一個(gè)本地DMA單元34 (DMA = Direct Memory Access直接存儲(chǔ)器存取)。 借助DMA單元34可以調(diào)取控制組件1的集成的資源，尤其是調(diào)取內(nèi)部的存儲(chǔ)器5。
[0026] 控制組件1可以包括一個(gè)內(nèi)部的存儲(chǔ)器5和另一個(gè)DMA單元6 (DMA = Direct Memory Access直接存儲(chǔ)器存取)。內(nèi)部的存儲(chǔ)器5和DMA單元6以恰當(dāng)?shù)姆绞?，例如通過(guò) 內(nèi)部的通信連接裝置4，相互連接。內(nèi)部的存儲(chǔ)器5可以包括一個(gè)共同的SRAM存儲(chǔ)器(主計(jì) 算單元2、模型計(jì)算單元3和必要時(shí)其它的單元共用）以及一個(gè)用于配置數(shù)據(jù)（參數(shù)和取樣 點(diǎn)數(shù)據(jù)）的閃存。
[0027] 非參數(shù)的、基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的使用，基于一種貝葉斯回歸方法。貝葉斯回歸的 基礎(chǔ)例如在 C. E. Rasmussen 等的"Gaussian Processes for Machine Learning(機(jī)器學(xué)習(xí)的 高斯過(guò)程)"（麻省理工學(xué)院出版社2006年）中說(shuō)明。貝葉斯回歸是一種基于數(shù)據(jù)的方法， 其以一個(gè)模型為基礎(chǔ)。為了建立該模型，需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)以及輸出參數(shù)的與此相關(guān) 的輸出數(shù)據(jù)。模型的建立借助取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的使用完成，取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)完全或部分對(duì)應(yīng)訓(xùn)練數(shù) 據(jù)或由這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)產(chǎn)生。此外還確定了抽象的超參數(shù)，這些超參數(shù)將模型函數(shù)的空間參 數(shù)化以及有效地對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的單個(gè)測(cè)量點(diǎn)到之后的模型預(yù)測(cè)的影響加權(quán)。
[0028] 抽象的超參數(shù)通過(guò)優(yōu)化方法確定。一種針對(duì)這種優(yōu)化方法的可行方案在于優(yōu)化一 個(gè)邊際似然函數(shù)。邊際似然函數(shù)pfclA'X；)描述了訓(xùn)練數(shù)據(jù)的經(jīng)測(cè)得的y值的似 真度，示出作為矢量Y，給定模型參數(shù)Η和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的X值。在模型訓(xùn)練中，由此 被最大化，即，尋找合適的超參數(shù)，這些超參數(shù)導(dǎo)致了由超參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)確定的模型函數(shù) 的走向變化以及盡可能精確地描繪訓(xùn)練數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，的邏輯算法被最大 化，因?yàn)檫壿嬎惴]有改變似真度函數(shù)的連續(xù)性。
[0029] 高斯過(guò)程模型的計(jì)算對(duì)應(yīng)在圖2中示意性示出的步驟進(jìn)行。針對(duì)測(cè)試點(diǎn)u (輸入 參數(shù)矢量）的輸入值巧先被標(biāo)準(zhǔn)化，更確切地說(shuō)對(duì)應(yīng)下列公式：

【權(quán)利要求】
1. 用于在集成的控制組件（1)內(nèi)計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù)模型的模型計(jì)算單元（3)，包括： -計(jì)算核芯（31)，其被構(gòu)造用于執(zhí)行算法的純粹基于硬件的計(jì)算，其中，算法執(zhí)行至少 一個(gè)循環(huán)計(jì)算；以及 -中斷單元（32)，其被構(gòu)造用于詢問(wèn)中斷條件，以便根據(jù)中斷條件的存在中斷在計(jì)算 核芯（31)內(nèi)的循環(huán)計(jì)算，并且被構(gòu)造用于提供循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果以及循環(huán)計(jì)算的與此有 關(guān)的計(jì)數(shù)器值用于恢復(fù)計(jì)算。
2. 按權(quán)利要求1所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造用于能調(diào)用 地儲(chǔ)存階段結(jié)果和循環(huán)計(jì)數(shù)器值。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，算法具有內(nèi)部的和外部的循環(huán)計(jì) 算，在這些循環(huán)計(jì)算中，分別由循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果形成了總和， 其中，中斷單元（32 )被構(gòu)造用于在實(shí)施外部的循環(huán)的數(shù)量可預(yù)定的循環(huán)計(jì)算之后中斷 計(jì)算。
4. 按權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，設(shè)置了配置寄存器，其中， 為了確定中斷條件的存在而可以詢問(wèn)配置寄存器的寫入或內(nèi)容。
5. 按權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，設(shè)置了輸入端，其中作為 中斷條件可以詢問(wèn)在輸入端上的中斷信號(hào)。
6. 按權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造 用于通過(guò)循環(huán)計(jì)算的階段結(jié)果的設(shè)置以及循環(huán)計(jì)算的循環(huán)計(jì)數(shù)器值來(lái)執(zhí)行之前被中斷的 計(jì)算的恢復(fù)。
7. 按權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)，其中，模型計(jì)算單元（3)被構(gòu)造 用于計(jì)算貝葉斯回歸。
8. 控制組件（1)，尤其用于具有內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制器，該控制組件包括： -軟件控制的主計(jì)算單元（2 );以及 -按權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)。
9. 按權(quán)利要求8所述的控制組件（1 )，其中，主計(jì)算單元（2)寫模型計(jì)算單元（3)的一 個(gè)或多個(gè)配置寄存器，以便預(yù)定中斷條件。
10. 用于在按權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的模型計(jì)算單元（3)中計(jì)算基于數(shù)據(jù)的函數(shù) 模型尤其高斯過(guò)程模型的方法，其中，通過(guò)在硬件中實(shí)施的算法計(jì)算函數(shù)模型，其中該算法 執(zhí)行至少一個(gè)循環(huán)計(jì)算，其中根據(jù)中斷條件的存在中斷循環(huán)計(jì)算，其中將循環(huán)計(jì)算的階段 結(jié)果和循環(huán)計(jì)算的計(jì)數(shù)器值儲(chǔ)存且提供給模型計(jì)算單元（3 )用于重新計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G06F17/15GK104281559SQ201410321571
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月9日
【發(fā)明者】A.奧厄, N.班諾夫, M.薩伊茨勒, M.施賴伯 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司