从FPGA说起的深度学习

Posted 2023-03-13 碎碎思

从FPGA说起的深度学习（五）

这是新的系列教程，在本教程中，我们将介绍使用 FPGA 实现深度学习的技术，深度学习是近年来人工智能领域的热门话题。

在本教程中，旨在加深对深度学习和 FPGA 的理解。

• 用 C/C++ 编写深度学习推理代码

• 高级综合 (HLS) 将 C/C++ 代码转换为硬件描述语言

• FPGA 运行验证

到上一篇为止，我们已经完成了卷积层、全连接层、池化层、激活函数ReLU的所有C的编程实现。在本文中，我们将结合这些层来创建一个完整的推理函数。

模型实现

下面是在第 2 篇文章中创建的推理模型的图表。

首先输入一张1x28x28的图片，然后两次通过Conv2d -> ReLU -> MaxPool2d提取特征，最后转为linear，> ReLU -> Linear为10阶向量值。

用C写的时候，只需按如下依次逐层处理即可。

void conv2d(const float* x, const float* weight, const float* bias, int32_t width, int32_t height,
             int32_t in_channels, int32_t out_channels, int32_t ksize, float* y) 
   for (int32_t och = 0; och < out_channels; ++och) 
     for (int32_t h = 0; h < height; ++h) 
       for (int32_t w = 0; w < width; ++w) 
         float sum = 0.f;

         for (int32_t ich = 0; ich < in_channels; ++ich) 
           for (int32_t kh = 0; kh < ksize; ++kh) 
             for (int32_t kw = 0; kw < ksize; ++kw) 
               int32_t ph = h + kh - ksize/2;
               int32_t pw = w + kw - ksize/2;

               // zero padding
               if (ph < 0 || ph >= height || pw < 0 || pw >= width) 
                 continue;
               

               int64_t pix_idx = (ich * height + ph) * width + pw;
               int64_t weight_idx = ((och * in_channels + ich) * ksize + kh) * ksize + kw;

               sum += x[pix_idx] * weight[weight_idx];
             
           
         

         // add bias
         sum += bias[och];

         y[(och * height + h) * width + w] = sum;
       
     
   
 

函数内部的缓冲区 (x1-x8) 用于连接各层之间的特征数据。

在HLS中，在哪里定义这个buffer很重要，如果像这次一样把它放在函数中，就可以指定使用FPGA中的RAM（或寄存器）。另一方面，如果将此缓冲区作为函数的参数提供，则可以将数据连接到外部 DRAM。这个区域需要根据应用来设计，但是这次内部SRAM已经够用了，所以定义在函数内部。

如果像以前一样编写接口规范，将如下所示：

输入

• x: 输入图像。shape=(1, 28, 28)

• weight0：第一个卷积层的权重。shape=(4, 1, 3, 3)

• bias0：第一个卷积层的偏差。shape=(4)

• weight1：第二个卷积层的权重。shape=(8, 4, 3, 3)

• bias1：第二个卷积层的偏差。shape=(8)

• weight2：第一个全连接层的权重。shape=(32, 8 * 7 * 7)

• bias2：第一个全连接层的偏差。shape=(32)

• weight3：第二个全连接层的权重。shape=(10, 32)

• bias3：第二个全连接层的偏差。shape=(10)

输出

• y：输出向量。shape=(10)

界面设置

在目前创建的函数中，我们还没有具体定义创建电路的接口。未指定接口时，HLS 会为简单 SRAM 生成一个接口。

该接口不能用于访问DRAM等访问时间不确定的接口，不方便在真机上操作。为此，我们告诉HLS使用一种称为AMBA AXI4接口协议（以下简称AXI）的协议，该协议主要用于Xilinx FPGA上IP之间的接口。

简单介绍一下AXI，AXI是ARM公司提供的一种接口标准。

Xilinx IP主要使用以下三种协议。

• AXI4：高速内存访问协议（主要用途：访问DRAM、PCIe等）

• AXI4-Lite：AXI4的一个子集，一种用于低速内存访问的协议（主要用途：IP寄存器控制）

• AXI4-Stream：仅用于单向数据传输的协议，无地址（主要用途：流数据处理）

这次我们将使用 AXI4 访问输入/输出数据，使用 AXI4-Lite 控制 IP。

具有接口定义的推理函数如下所示：

void inference_top(const float x[kMaxSize],
                   const float weight0[kMaxSize], const float bias0[kMaxSize],
                   const float weight1[kMaxSize], const float bias1[kMaxSize],
                   const float weight2[kMaxSize], const float bias2[kMaxSize],
                   const float weight3[kMaxSize], const float bias3[kMaxSize],
                   float y[kMaxSize]) 
#pragma HLS interface m_axi port=x offset=slave bundle=gmem0
#pragma HLS interface m_axi port=weight0 offset=slave bundle=gmem1
#pragma HLS interface m_axi port=weight1 offset=slave bundle=gmem2
#pragma HLS interface m_axi port=weight2 offset=slave bundle=gmem3
#pragma HLS interface m_axi port=weight3 offset=slave bundle=gmem4
#pragma HLS interface m_axi port=bias0 offset=slave bundle=gmem5
#pragma HLS interface m_axi port=bias1 offset=slave bundle=gmem6
#pragma HLS interface m_axi port=bias2 offset=slave bundle=gmem7
#pragma HLS interface m_axi port=bias3 offset=slave bundle=gmem8
#pragma HLS interface m_axi port=y offset=slave bundle=gmem9
#pragma HLS interface s_axilite port=x bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=weight0 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=weight1 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=weight2 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=weight3 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=bias0 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=bias1 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=bias2 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=bias3 bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=y bundle=control
#pragma HLS interface s_axilite port=return bundle=control
   dnnk::inference(x,
                  weight0, bias0,
                  weight1, bias1,
                  weight2, bias2,
                  weight3, bias3,
                  y);

dnnk::inference函数就是前面提到的推理函数，这个函数将dnnk::inference“包起来”了。

和上一篇文章一样，top函数的接口是一个数组，而不是一个指针。在仿真 HLS 时，此符号对于指定仿真器保留的内存缓冲区的大小是必需的，但它并不是很重要。

第 30-50 行 #pragma HLS interfaceport=<参数名称>bundle=<要分配的接口名称> 使用语法为每个函数参数指定接口协议，使用的协议有两个，m_axi和s_axilite，其中m_/s_部分表示请求是发送还是接收（AXI术语中的master/slave），后面的部分就是前面提到的协议部分增加。

在此函数中，每个数据端口都成为 AXI4 主端口并主动从 DRAM (L30-39) 中获取数据。此时主机CPU等访问的存储器地址可以通过AXI4-Lite从端口（L40-49）进行设置。

最后，用于开始处理的控制寄存器和用于检查处理完成的状态寄存器port=return链接到 AXI4-Lite 从端口 (L50)。

综合/结果确认

界面

将这个电路作为IP输出，放到Vivado的IP Integrator中，如下图。每个端口的名称对应于上面的interface pragma bundle位置。

熟悉 Vivado 开发的都知道，剩下要做的就是适当地连接端口，将能够创建能够进行推理处理的 FPGA 图像。

综合

综合时的表现如下：执行时间最短 1.775 ms，最长 7.132 ms。

在这里，我想知道为什么输入图像大小是固定的，但执行时间不固定，这是因为第三篇文章中创建的卷积函数continue包括补零处理。

由于这个补零过程只在屏幕边缘进行，实际执行时间几乎是最大时间7.132 ms。

for (int32_t kw = 0; kw < ksize; ++kw) 
     int32_t ph = h + kh - ksize/2;
     int32_t pw = w + kw - ksize/2;

     // zero padding
     if (ph < 0 || ph >= height || pw < 0 || pw >= width) 
       continue;
     

     int64_t pix_idx = (ich * height + ph) * width + pw;
     int64_t weight_idx = ((och * in_channels + ich) * ksize + kh) * ksize + kw;

     sum += x[pix_idx] * weight[weight_idx];
   

在这里为了可读性，用continue中止，但是在FPGA上，与在这里中断循环的处理相比，使用已经安装的乘法加法器进行0加法运算的成本更少。

资源使用

FPGA的资源利用率如下所示：总体使用量是微不足道的，因为没有增加并行化和流水线等资源的加速。

总结

在本文中，从第 3 篇文章开始创建的整个推理函数终于完成了。在下一篇文章中，可能是优化可能是先FPGA实现。