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

在上一篇文章中，我们在 MNIST 数据集上创建并训练了一个网络模型。从本文开始，为了在 FPGA 上运行推理处理，我们将首先用 C++ 编写推理处理代码。

在这篇 C++ 实现的第一篇文章中，我们开始针对卷积层的 C++ 实现。具体内容是（1）卷积层的实现，（2）运算校验（C验证，C/RTL协同验证）（就是HLS的流程）。

卷积层实现

在上一篇文章中，我解释了卷积层是对图像的过滤过程，但是并没有解释输入输出通道如何处理，过滤时图像的边缘处理等。由于本文旨在实现层面的理解，因此我将详细介绍这些要点。

处理 I/O 通道

在图像处理中，对RGB输入图像进行噪声去除等滤波处理，并频繁地进行RGB图像的处理。在这种情况下，卷积过程往往是针对每个通道（R/G/B）独立完成的，输入的G/B通道值不影响输出的R通道结果。

另一方面，在卷积层中执行的卷积过程中，所有输入通道的值影响每个输出通道。因此，对于输出图像的每个像素（输出通道，Y坐标，X坐标），所有输入通道和周围的像素区域都会参与计算，导致计算量非常大。

另外，如上所述每个通道独立卷积的卷积层称为Depthwise Convolution。

这通常用于减少计算量的网络模型，例如MobileNet(https://arxiv.org/abs/1704.04861)。

图像边缘处理

在对图像进行卷积处理时，图像边缘的处理往往是一个问题。

由于卷积过程在计算某个像素时使用了周围像素，因此对于没有周围像素的像素，例如图像边缘的像素，就无法获取周围像素。

卷积神经网络主要通过以下两种方式处理边缘像素。

无填充：输出图像减少了输入图像的卷积区域。
补零：将输入图像预先用卷积区域扩展，用零填充该区域，对原始输入图像进行卷积处理。

没有填充的卷积的图形表示如下所示：在这种情况下，输出图像将是比输入图像小一个滤波器尺寸的区域（橙色部分）。如果内核大小为 3（中心像素 +/-1），则输出图像大小在宽度和高度上都将为 -2，因为图像之外的 1 个像素是无法进行卷积的区域。

接下来，零填充的图形表示如下所示。在这个例子中，预先在输入图像的外部添加了一个值为0的区域（灰色区域），进行卷积，这样就不会出现图像缩小现象。如果内核大小为 3，则带填充的输入图像大小在宽度和高度上均为 +2，因为 +1 像素将添加到屏幕外部且值为零。

在我们的模型中，我们在所有卷积层中使用零填充。

C代码

如果根据目前为止的解释用 C 语言实现卷积过程，它将类似于下面的代码。

 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;  
       }  
     }  
   }  
 }

此函数的解释如下所示：

输入

-- x: 输入图像。shape=(in_channels, height, width)

-- weight: 权重因子。shape=(out_channels, in_channels, ksize, ksize)

-- bias: 偏置值。shape=(out_channels)

输出

-- y: 输出图像。shape=(out_channels, height, width)

参数：-- width: 输入/输出图像的宽度

-- height: 输入/输出图像高度

-- in\_channels：输入图像的通道数

-- out\_channels：输出图像的通道数

-- ksize: 内核大小

每个输入/输出的内存布局shape=(...)如表格所示，但float x[in\_channels][height][width];将其视为定义为三维数组。

卷积层的处理是一个6级循环。第一个三级循环确定输出图像上的位置，随后的三级循环对该位置执行卷积操作。

零填充在第 24-26 行完成。由于实际创建零填充输入图像是低效的，所以零填充是通过在访问图像外部时不参与乘积之和来实现的。

第31行是卷积过程中的积和运算部分，这个积和运算out_channels * height * width * in_channels * ksize * ksize进行了两次。这个卷积过程的操作数量非常大，在很多情况下，卷积层支配着卷积神经网络的执行时间。这就是为什么计算单元比 CPU 多的 GPU 和 FPGA 更适合处理神经网络。

第37行是偏差处理部分。到目前为止，我还没有触及什么是偏差处理，但正如我在这里所写的那样，它是一个简单地对输出值进行偏移的过程。这种偏差处理在输入通道/内核大小 (Y,X) 循环之外，因此处理步骤的数量非常微不足道。

运算检查

作为对上一节创建的函数运行的确认，conv2d我们将比较结果是否足够接近在 PyTorch 的 C++ API (libtorch) 上执行的卷积计算。

每个测试包括以下两个步骤。

C. 验证
C/RTL 协同验证

1、C 验证类似于正常的软件开发，gcc只是用通用的编译器编译源代码并检查结果。

2、C/RTL协同验证是使用AMD-Xilinx提供的高阶综合工具Vitis HLS进行验证。对于此验证，HLS 首先将 C 源代码转换为 Verilog HDL 等 RTL。然后在 Vivado 中对生成的 RTL 执行功能仿真。

在这个逻辑仿真中，将一个类似于C验证的数据序列输入到创建的电路中，确认输出结果是否正确。

本节以后的内容将以运行创建的源代码的形式进行说明。

源代码将在后面发布。

运行环境

运行环境面向 Linux 机器。不支持 Windows/Mac 操作系统。此外，由于预装gcc版本，该发行版针对 Ubuntu 18.04。难以自行准备运行环境的朋友，看看就行。

需要以下工具。

Vivado 2020.2（推荐 2019.2）
cmake >= 3.11

cmake比较麻烦，因为它需要的版本比apt等包管理器可以安装的版本高，但是可以下载预构建的二进制文件（cmake--Linux-x86\_64.tar.gz）。

C. 验证

测试代码/tests/ref/conv2d.cc的使用，我不会在本文中详细介绍，但测试将是一个正常的随机测试。

可以按照以下步骤构建代码。请将 -DVIVADO_HLS_ROOT 的值相应地替换为安装的 Vivado 的路径。

$ mkdir <dnn-kernel>/build  
$ cd <dnn-kernel>/build  
$ cmake .. -DVIVADO_HLS_ROOT=/tools/Xilinx/Vivado/2022.2  
$ cmake --build .

使用以下命令进行测试：如果没有任何错误，那它就是成功的。

`$ ctest -V -R "conv2d_ref"

C/RTL 协同验证

运行以下命令以使用 HLS 启动 C/RTL 协同验证。大约需要 5 分钟。

$ ctest -V -R "conv2d_hls_cosim"

当执行 C/RTL 协同验证时，会自动创建一个 HLS 项目文件，因此可以使用它来检查高级综合和 RTL 仿真波形的结果。

要检查这一点，请使用以下命令启动 HLS：

`$ vitis_hls &
`

HLS 打开后，单击“打开项目”，如下所示，导航到/build/tests/hls/conv2d/conv2d_hls_cosim目录并单击“确定”。

然后，HLS 综合报告将显示如下屏幕所示。

从此报告中，可以看到从 Performance Estimates 列创建的电路的估计性能，以及从 Utilization Estimates 看到在目标设备上实施时的估计资源使用情况。

点击顶部红框包围的区域，可以看到仿真的波形。

波形如下所示，可以看出可以通过某种方式读取到该值，大概2000.00ns就能输出y的第一个值。

通过这种方式，我们能够创建一个逻辑电路，该逻辑电路使用 HLS 执行卷积层计算，而无需特别注意 HW。

然而，由于这个电路根本没有调整，它的设计只是实现功能，在后续会对此进行优化。

总结

在这篇文章中，用 C++ 实现了一个卷积层并确认了它的运行。我们还在这个 C++ 实现上使用 HLS 进行了高级综合，并确认它在 C/RTL 协同验证中没有任何问题。

在下一篇文章中，我们将用 C++ 实现其余两层（池化层、全连接层）和 ReLU。之后，我们会结合所有实现的层，为MNIST创建和验证一个模型。

原文：OpenFPGA
作者：碎碎思

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