•2025年09月
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在 Apple II 6502 处理器上实现基本神经网络推理：汇编优化与资源约束

针对 Apple II+ 的 6502 处理器，探讨简单神经网络推理的汇编实现，优化 64KB RAM 和时钟周期，提供参数配置与监控要点。

在复古计算时代，Apple II+ 以其 6502 处理器成为经典平台，如今尝试在其上运行现代 AI 任务，如基本神经网络推理，能揭示资源受限环境下的工程挑战。这种实现不仅重温历史，还为嵌入式 AI 提供启发：如何在 1MHz 时钟和 64KB RAM 下高效执行计算密集型任务。

观点一：选择简单感知机作为起点。感知机是最基本的神经网络单元，仅需线性组合和激活函数，适合 6502 的简单指令集。证据显示，早期的 ML 如 K-means 已能在 Apple II 的 BASIC 中运行，证明硬件支持基本聚类；类似地，感知机推理只需矩阵-向量乘法和步进激活，远低于复杂模型的开销。根据 6502 文档，其 56 条指令中，ADC 和 LDA 足以处理加法和加载，支持固定点运算以模拟浮点。

可落地参数：模型规模限制为 4 输入、3 隐藏神经元、1 输出，总权重不超过 20 个（每个 8 位固定点）。激活函数用查找表（LUT）实现步进：若和 > 阈值（128），输出 1，否则 0。RAM 分配：零页（$00-$FF）存临时变量，$100-$1FF 存权重矩阵（约 200 字节），剩余用于输入数据和输出缓冲。

观点二：汇编代码聚焦前向传播，避免训练以节省周期。6502 汇编通过零页寻址加速访问，减少指令周期。证据：标准 6502 乘法需软件实现（如移位加法），每个乘法约 20-50 周期；对于小模型，总推理周期可控在 1000 以内，适合实时任务如简单分类。

实现清单：

  1. 数据表示：输入和权重用 Q7.1 固定点（1 位符号，7 位小数），范围 -1 到 1。
  2. 内积计算：循环 LDA 输入、移位累加到累加器 A，使用 X 寄存器索引。
  3. 激活：CMP 阈值，BNE 分支到输出 1。 伪代码示例：
LDA #$00     ; 初始化和为 0
STA SUM
LDX #$00     ; 索引 0
LOOP: LDA WEIGHT,X  ; 加载权重
STA TMP
LDA INPUT,X   ; 加载输入
JSR MULT      ; 软件乘法，存 TMP2
LDA TMP2
CLC
ADC SUM
STA SUM
INX
CPX #$04      ; 4 输入
BNE LOOP
LDA SUM
CMP #$80      ; 阈值 0.5
BPL OUTPUT1   ; >=0 输出 1
LDA #$00
STA RESULT
JMP END
OUTPUT1: LDA #$01
STA RESULT
END:

此段代码约 30 指令，优化后每迭代 15 周期，总计 ~60 周期/神经元。

观点三：优化策略针对 RAM 和周期瓶颈。RAM 有限，优先零页和页面零寻址；周期优化用循环展开小矩阵，避免 JSR 开销。证据：Mark Cramer 的 Apple II K-means 实现用 BASIC 迭代数据点，耗时数秒；汇编版感知机可降至毫秒级。风险：溢出需 CLC/SEC 检查，精度损失用饱和加法缓解。

监控要点：

  • 周期计数：用 6502 计时器中断，每 1024 周期采样，目标 <2000/推理。
  • RAM 使用：预分配 $0200-$02FF 为栈，监控堆栈指针 SP，避免溢出。
  • 回滚策略：若周期超阈值，降模型大小或用更粗粒度固定点（Q4.4）。
  • 测试参数：输入规模 10 样本，准确率 >85% 于 XOR 门任务。

通过这些配置，在 Apple II+ 上实现感知机推理，不仅可行，还能扩展到简单图像分类（如手写数字，降采样至 8x8）。这强调了 AI 工程的核心：平衡精度与资源，复古硬件证明，即使在极端约束下，创新计算仍可能。未来，可进一步集成 LUT 加速 sigmoid，接近现代边缘 AI。

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