AI嵌入式K210项目（18）-卷积人工神经网络硬件加速器 KPU

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前言

K210内置了丰富的加速器，包括神经网络处理器 (KPU)，AES(高级加密加速器)，APU 麦克风阵列语音数据加速计算处理器，现场可编程 IO 阵列 (FPIOA)，数字摄像头接口 (DVP)，相对于软件可以极大的提高 AES 运算速度，快速傅里叶变换加速器 (FFT)，安全散列算法加速器 (SHA256)。
本文介绍内置的卷积人工神经网络硬件加速器 KPU；

一、K210的KPU

KPU 是通用的神经网络处理器，它可以在低功耗的情况下实现卷积神经网络计算，实时获取被检测目
标的大小、坐标和种类，对人脸或者物体进行检测和分类。使用 kpu 时，必须结合 model compiler。

KPU 是通用神经网络处理器，内置卷积、批归一化、激活、池化运算单元，可以对人脸或物体进行实
时检测，具体特性如下：
• 支持主流训练框架按照特定限制规则训练出来的定点化模型
• 对网络层数无直接限制，支持每层卷积神经网络参数单独配置，包括输入输出通道数目、输入输
出行宽列高
• 支持两种卷积内核 1x1 和 3x3
• 支持任意形式的激活函数
• 实时工作时最大支持神经网络参数大小为 5.5MiB 到 5.9MiB
• 非实时工作时最大支持网络参数大小为（Flash 容量-软件体积）

KPU 的内部结构如下图所示：

对应的头文件 kpu.h

为用户提供以下接口：

• kpu_task_init (0.6.0 以后不再支持，请使用kpu_single_task_init)：初始化kpu 任务句柄，该函数具体实现在model compiler 生成的gencode_output.c 中。

• kpu_run (0.6.0 以后不再支持，请使用kpu_start)：启动KPU，进行AI 运算。

• kpu_get_output_buf (0.6.0 以后不再支持)：获取KPU 输出结果的缓存。

• kpu_release_output_buf (0.6.0 以后不再支持)：释放KPU 输出结果缓存。

• kpu_start：启动KPU，进行AI 运算。

• kpu_single_task_init：初始化kpu 任务句柄。

• kpu_single_task_deinit：注销kpu 任务。

• kpu_model_load_from_buffer：解析kmodel 并初始化kpu 句柄。

• kpu_load_kmodel：加载kmodel，需要与nncase 配合使用。

• kpu_model_free：释放kpu 资源。

• kpu_get_output：获取KPU 最终处理的结果。

• kpu_run_kmodel：运行kmodel。

二、实验过程

本实验代码较多，这里只贴出main.c的内容，其余内容稍后上传到gitee上

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "dvp.h"
#include "fpioa.h"
#include "lcd.h"
#include "ov2640.h"
#include "ov9655.h"
#include "plic.h"
#include "sysctl.h"
#include "uarths.h"
#include "st7789.h"
#include "dvp_cam.h"
#include "utils.h"
#include "kpu.h"
#include "l_conv.h"
#include "sleep.h"
#include "encoding.h"
#include "gpiohs.h"
#include "pin_config.h"
#include "dvp_cam.h"


int key_flag = 0;
gpio_pin_value_t key_state = 1;
volatile uint8_t g_ai_done_flag;
uint8_t g_ai_buf_out[320 * 240 * 3] __attribute__((aligned(128)));

/* KPU完成 */
static int kpu_done(void *ctx)
{
	g_ai_done_flag = 1;
	return 0;
}

//  卷积	池化	批归一化	激活	输出偏置
float conv_data[9*3*3] ={
//origin
//R
0,0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//G
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//B
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0,0,
};

int demo_index=0;
const float conv_data_demo[4][9*3*3] ={
{	//origin
//R
0,0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//G
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//B
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0,0,},
{	//edge
//R
-1,-1,-1,-1,8,-1,-1,-1,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//G
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
-1,-1,-1,-1,8,-1,-1,-1,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//B
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
-1,-1,-1,-1,8,-1,-1,-1,-1,},
{	//sharp
//R
-1,-1,-1,-1,9,-1,-1,-1,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//G
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
-1,-1,-1,-1,9,-1,-1,-1,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//B
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
-1,-1,-1,-1,9,-1,-1,-1,-1,},
{	//relievo
//R
2,0,0,0,-1,0,0,0,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//G
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
2,0,0,0,-1,0,0,0,-1,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
//B
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,
2,0,0,0,-1,0,0,0,-1,},
};



/**
* Function       hardware_init
* @brief         硬件初始化，绑定GPIO口
* @param[in]     void
* @param[out]    void
* @retval        void
* @par History   无
*/
void hardware_init(void)
{
    /* 按键 */
	fpioa_set_function(PIN_KEYPAD_MIDDLE, FUNC_KEYPAD_MIDDLE);

    /* LCD */
    fpioa_set_function(PIN_LCD_CS,  FUNC_LCD_CS);
    fpioa_set_function(PIN_LCD_RST, FUNC_LCD_RST);
    fpioa_set_function(PIN_LCD_RS,  FUNC_LCD_RS);
    fpioa_set_function(PIN_LCD_WR,  FUNC_LCD_WR);

    // DVP camera
    fpioa_set_function(PIN_DVP_RST,   FUNC_CMOS_RST);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_PWDN,  FUNC_CMOS_PWDN);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_XCLK,  FUNC_CMOS_XCLK);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_VSYNC, FUNC_CMOS_VSYNC);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_HSYNC, FUNC_CMOS_HREF);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_PCLK,  FUNC_CMOS_PCLK);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_SCL,   FUNC_SCCB_SCLK);
    fpioa_set_function(PIN_DVP_SDA,   FUNC_SCCB_SDA);
    
    // 使能SPI0和DVP
    sysctl_set_spi0_dvp_data(1);
}

/**
* Function       io_set_power
* @brief         设置bank6/bank7电源域1.8V
* @param[in]     void
* @param[out]    void
* @retval        void
* @par History   无
*/
static void io_set_power(void)
{
	/* Set dvp and spi pin to 1.8V */
	sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK6, SYSCTL_POWER_V18);
	sysctl_set_power_mode(SYSCTL_POWER_BANK7, SYSCTL_POWER_V18);
}

/* 转化图像数据格式，因为摄像头输出到AI的是RGB888格式，而显示屏需要RGB565格式 */
void rgb888_to_565(uint8_t *src_r, uint8_t *src_g, uint8_t *src_b, uint16_t *dst, uint32_t len)
{
	uint32_t i;
	for (i = 0; i < len; i += 2)
	{
		dst[i] = (((uint16_t)(src_r[i + 1] >> 3)) << 11) + 
			(((uint16_t)src_g[i + 1] >> 2) << 5) + 
			(((uint16_t)src_b[i + 1]) >> 3);
		dst[i + 1] = (((uint16_t)(src_r[i] >> 3)) << 11) + 
			(((uint16_t)src_g[i] >> 2) << 5) + 
			(((uint16_t)src_b[i]) >> 3);
	}
}

/* 在原来图像的基础上增加数据（字符） */
void lcd_ram_cpyimg(char *lcd, int lcdw, char *img, int imgw, int imgh, int x, int y)
{
	int i;
	for (i = 0; i < imgh; i++)
	{
		memcpy(lcd + lcdw * 2 * (y + i) + x * 2, img + imgw * 2 * i, imgw * 2);
	}
	return;
}

/* 左上角显示模式 */
void draw_text(void)
{
	char string_buf[8 * 16 * 2 * 16]; //16个字符
	char title[20];

	switch (demo_index)
	{
	case 0:
		sprintf(title, " origin ");
		lcd_ram_draw_string(title, (uint32_t *)string_buf, BLUE, BLACK);
		lcd_ram_cpyimg((char *)g_display_buf, 320, string_buf, strlen(title) * 8, 16, 0, 0);
		break;
	case 1:
		sprintf(title, "  edge  ");
		lcd_ram_draw_string(title, (uint32_t *)string_buf, BLUE, BLACK);
		lcd_ram_cpyimg((char *)g_display_buf, 320, string_buf, strlen(title) * 8, 16, 0, 0);
		break;
	case 2:
		sprintf(title, " sharp  ");
		lcd_ram_draw_string(title, (uint32_t *)string_buf, BLUE, BLACK);
		lcd_ram_cpyimg((char *)g_display_buf, 320, string_buf, strlen(title) * 8, 16, 0, 0);
		break;
	case 3:
		sprintf(title, "relievos");
		lcd_ram_draw_string(title, (uint32_t *)string_buf, BLUE, BLACK);
		lcd_ram_cpyimg((char *)g_display_buf, 320, string_buf, strlen(title) * 8, 16, 0, 0);
		break;
	
	default:
		break;
	}

}

/* 按键中断回调 */
int key_irq_cb(void *ctx)
{
	key_flag = 1;
	key_state = gpiohs_get_pin(KEYPAD_MIDDLE_GPIONUM);
	return 0;
}

/* 初始化按键 */
void init_key(void)
{
    // 设置按键的GPIO模式为上拉输入
    gpiohs_set_drive_mode(KEYPAD_MIDDLE_GPIONUM, GPIO_DM_INPUT_PULL_UP);
    // 设置按键的GPIO电平触发模式为上升沿和下降沿
    gpiohs_set_pin_edge(KEYPAD_MIDDLE_GPIONUM, GPIO_PE_BOTH);
    // 设置按键GPIO口的中断回调
    gpiohs_irq_register(KEYPAD_MIDDLE_GPIONUM, 1, key_irq_cb, NULL);
}

/**
* Function       main
* @brief         主函数，程序的入口
* @param[in]     void
* @param[out]    void
* @retval        void
* @par History   无
*/
int main(void)
{
	hardware_init();
	io_set_power();

    /* 设置系统时钟和DVP时钟 */
    sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL0, 800000000UL);
    sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL1, 300000000UL);
    sysctl_pll_set_freq(SYSCTL_PLL2, 45158400UL);
    uarths_init();

	/* 系统中断初始化 */
    plic_init();
	/* 使能系统全局中断 */
    sysctl_enable_irq();
    
	/* 初始化显示屏，并显示一秒图片 */
	printf("LCD init\r\n");
	lcd_init();
	lcd_draw_picture_half(0, 0, 320, 240, gImage_logo);
	sleep(1);

	/* ov摄像头初始化 */
	int OV_type;
    OV_type=OVxxxx_read_id();
    /* 初始化摄像头 */
    if(OV_type == OV_9655)
    {
        ov9655_init();
    }   
    else if(OV_type == OV_2640) 
    {
        ov2640_init();
    }
    else 
    {
       return 0;//打不开摄像头，结束
    }

	/* 按键初始化*/
	init_key();

	/* kpu初始化 */
	kpu_task_t task;
	conv_init(&task, CONV_3_3, conv_data);

	printf("KPU TASK INIT, FREE MEM: %ld\r\n", get_free_heap_size());
	printf("Please press the keypad to switch mode\r\n");
	
	while (1)
	{
		while (g_dvp_finish_flag == 0)
			;
		/* 开始运算 */
		conv_run(&task, g_ai_buf_in, g_ai_buf_out, kpu_done);
		
		while (!g_ai_done_flag)
			;
		g_ai_done_flag = 0;
		g_dvp_finish_flag = 0;
		/* 转化成LCD支持的RGB565格式 */
		rgb888_to_565(g_ai_buf_out, g_ai_buf_out + 320 * 240, g_ai_buf_out + 320 * 240 * 2, 
			(uint16_t *)g_display_buf, 320 * 240);
		
		/* 左上角写字母提示是哪个模式 */
		draw_text();
		/* 显示图像 */
		lcd_draw_picture(0, 0, 320, 240, g_display_buf);
		
		if (key_flag) //使用按键选择的卷积核
		{
			if (key_state == 0) //按下
			{
				msleep(20); //延迟去抖
				key_flag = 0;
				demo_index = (demo_index + 1) % 4;
				memcpy((void *)conv_data, (void *)(conv_data_demo[demo_index]), 
					3 * 3 * 3 * 3 * sizeof(float));
				conv_init(&task, CONV_3_3, conv_data);
			}
			else //弹起
			{
				msleep(20); //延迟去抖
				key_flag = 0;
			}
		}
	}
	return 0;
}

代码完成后，进行编译

cd build

cmake .. -DPROJ=kpu -G "MinGW Makefiles"

make

编译完成后，在build文件夹下会生成kpu.bin文件。

使用type-C数据线连接电脑与K210开发板，打开kflash，选择对应的设备，再将程序固件烧录到K210开发板上。

实验结果：烧录固件完成后，系统会自动弹出一个终端窗口，并且打印一些初始化的信息，此时我们看显示器的已经显示了摄像头当前采集的画面，而且左上角还有一个‘origin’的单词，当我们按下keypad中间的键时，模式切换，LCD显示的画面会变化，除了原始画面，还有其他三种模式可以显示，每按一次keypad都可以切换一次模式。

总结

K210芯片内置了卷积人工神经网络硬件加速器KPU，它可以在低功耗的情况下实现卷积神经网络计算，实时获取被检测目
标的大小、坐标和种类，对人脸或者物体进行检测和分类；