从FPGA说起的深度学习(五)
创始人
2024-06-02 02:25:53
0

从FPGA说起的深度学习(五)

049b12f60c24d713885f81da5e8a8043.png

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

ac87018c9fe17bf9951e6ebd0387aab7.png

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。

1d59b380354616c6cd7bfda6856df519.png

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 paddingif (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 biassum += 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=controldnnk::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。

980bbd44cf65d1b5339ebdce5242e219.png

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。

98fce7b01f2cccabb97091af1bc1a3c2.png

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 paddingif (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。

590efeb89d0c2a1fffef7f600389616a.png

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。

相关内容

热门资讯

安卓系统用的华为应用,探索智能... 你知道吗?在安卓系统里,华为的应用可是个宝库呢!它们不仅功能强大,而且使用起来超级方便。今天,就让我...
安卓变ios系统魅蓝 你知道吗?最近有个朋友突然告诉我,他要把自己的安卓手机换成iOS系统,而且还是魅蓝品牌的!这可真是让...
幻书启世录安卓系统,安卓世界中... 亲爱的读者们,你是否曾在某个夜晚,被一本神奇的书所吸引,仿佛它拥有着穿越时空的力量?今天,我要带你走...
电脑安装安卓系统进不去,安卓系... 电脑安装安卓系统后竟然进不去,这可真是让人头疼的问题啊!你是不是也遇到了这种情况,心里直呼“怎么办怎...
用键盘切换控制安卓系统,畅享安... 你有没有想过,用键盘来控制你的安卓手机?是的,你没听错,就是那个我们每天敲敲打打的小玩意儿——键盘。...
小米安卓镜像系统在哪,小米安卓... 你有没有想过,你的小米手机里有一个隐藏的宝藏——安卓镜像系统?没错,就是那个可以让你的手机瞬间变身成...
安卓手机下载排班系统,高效排班... 你有没有想过,每天忙碌的工作中,有没有什么好帮手能帮你轻松管理时间呢?今天,就让我来给你介绍一个超级...
桌面组件如何弄安卓系统,桌面组... 亲爱的桌面爱好者们,你是否曾梦想过将安卓系统搬到你的电脑桌面上?想象那些流畅的动画、丰富的应用,还有...
安卓13系统介绍视频,新功能与... 亲爱的读者们,你是否对安卓13系统充满好奇?想要一探究竟,却又苦于没有足够的时间去研究?别担心,今天...
车机安卓7.1系统,功能升级与... 你有没有发现,现在的车机系统越来越智能了?尤其是那些搭载了安卓7.1系统的车机,简直就像是个贴心的智...
安卓系统下如何读pdf,And... 你有没有遇到过这种情况:手机里存了一大堆PDF文件,可是怎么也找不到一个能顺畅阅读的工具?别急,今天...
安卓系统全国通用的吗,畅享智能... 你有没有想过,为什么你的手机里装的是安卓系统呢?安卓系统,这个名字听起来是不是有点神秘?今天,就让我...
假苹果手机8安卓系统,颠覆传统... 你有没有想过,如果苹果手机突然变成了安卓系统,会是怎样的景象呢?想象那熟悉的苹果外观,却运行着安卓的...
安卓12.0系统vivo有吗,... 你有没有听说最近安卓系统又升级啦?没错,就是那个让手机焕然一新的安卓12.0系统!那么,咱们国内的手...
核心芯片和安卓系统,探索核心芯... 你知道吗?在科技的世界里,有一对“黄金搭档”正悄悄改变着我们的生活。他们就是——核心芯片和安卓系统。...
如何调安卓系统屏幕颜色,安卓系... 亲爱的手机控们,你是否曾觉得安卓系统的屏幕颜色不够个性,或者是因为长时间盯着屏幕而感到眼睛疲劳?别担...
旧台式电脑安装安卓系统,轻松安... 你那台旧台式电脑是不是已经服役多年,性能逐渐力不从心,却又不忍心让它退役呢?别急,今天就来教你怎么给...
美国要求关闭安卓系统,科技霸权... 美国要求关闭安卓系统:一场技术革新还是政治博弈?在数字化时代,智能手机已经成为我们生活中不可或缺的一...
安卓系统日记本 你有没有发现,手机里的安卓系统日记本,简直就是记录生活点滴的宝藏库呢?想象每天忙碌的生活中,有没有那...
安卓手机广告最少的系统,探索安... 你有没有发现,用安卓手机的时候,广告总是无处不在,让人烦得要命?不过别急,今天我要给你揭秘一个秘密—...