基于 FPGA 的一维卷积神经网络（1D-CNN）算法加速

今天给大侠带来在 FPAG 技术交流群里平时讨论的问题答疑合集，以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

交流问题

Q：大佬们，谁做过 FPGA 的一维卷积神经网络（1D-CNN）算法加速么？除了 1D-CNN，还有哪些神经网络算法可以在 FPGA 上加速？

A：以下是一个基于 FPGA 的一维卷积神经网络（1D-CNN）算法加速实现的案例，仅供参考：

项目案例概述：

该项目旨在通过 FPGA 实现 1D-CNN 的加速，以提高对一维序列数据的处理速度。项目先使用 Python 代码实现训练和推理过程获得权重，再将推理过程移植到 FPGA 上进行  。

网络结构：

具体网络结构包含了卷积层、池化层、批标准化层、全局池化、二值化卷积、全连接层、激活函数层等，一共分为 17 层，在 FPGA 实现时将其划分为 7 个大层。

FPGA 架构：

包含按键消抖、串口接收、串口发送、卷积算法等模块。

FPGA 端口定义：

module fpga_top(
    input sys_clk, //外部50M时钟
    input sys_rst_n, //外部复位信号，低有效
    input [1:0] key, //按键，低有效
    output [1:0] led, //LED，低有效-未使用
    input uart_rxd, //UART接收端口
    output uart_txd //UART发送端口
);

操作步骤：

加载程序，打开串口，波特率：9600。

按下 key0，将串口 RAM 地址清零。

将准备好的输入数据通过串口下发给 FPGA（以 16 进制格式发送）。

按下 key1，启动卷积推理运算。

运算完成后，结果将以串口形式返回。

串口接收端：设置为 ASCII 码格式接收，将返回最大值对应的索引值。

以下是一个简单的卷积层的 Verilog 代码示例，用于说明如何在 FPGA 中实现卷积操作：

module convolution_layer #(parameter DATA_WIDTH = 8, parameter KERNEL_SIZE = 3, parameter INPUT_SIZE = 16, parameter OUTPUT_SIZE = 14)(
    input clk,
    input reset,
    input signed [DATA_WIDTH-1:0] input_data [INPUT_SIZE-1:0],
    input signed [DATA_WIDTH-1:0] kernel [KERNEL_SIZE-1:0],
    output reg signed [DATA_WIDTH-1:0] output_data [OUTPUT_SIZE-1:0]
);

    reg signed [DATA_WIDTH-1:0] temp_result [OUTPUT_SIZE-1:0];
    integer i, j, k;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if(reset) begin
            for(i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i = i + 1) begin
                output_data[i] <= 0;
                temp_result[i] <= 0;
            end
        end else begin
            for(i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i = i + 1) begin
                temp_result[i] <= 0;
                for(j = 0; j < KERNEL_SIZE; j = j + 1) begin
                    temp_result[i] <= temp_result[i] + input_data[i + j] * kernel[j];
                end
            end
            for(i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i = i + 1) begin
                output_data[i] <= temp_result[i];
            end
        end
    end

endmodule

在上述代码中，convolution_layer 模块实现了一个简单的一维卷积层。

clk 为时钟信号，reset 为复位信号，input_data 为输入数据，kernel 为卷积核，output_data 为输出数据 。

模块内部使用了两个数组 temp_result 来临时存储中间结果。在时钟上升沿或复位信号有效时，根据复位信号的状态对输出数据和临时结果进行初始化或执行卷积计算。卷积计算通过嵌套的循环实现，将输入数据与卷积核对应元素相乘并累加，得到卷积结果。最后将临时结果赋值给输出数据。

以下是一个简单的池化层的 Verilog 代码示例：

module pooling_layer #(parameter DATA_WIDTH = 8, parameter POOL_SIZE = 2, parameter INPUT_SIZE = 14, parameter OUTPUT_SIZE = 7)(
    input clk,
    input reset,
    input signed [DATA_WIDTH-1:0] input_data [INPUT_SIZE-1:0],
    output reg signed [DATA_WIDTH-1:0] output_data [OUTPUT_SIZE-1:0]
);

    integer i, j;

    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if(reset) begin
            for(i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i = i + 1) begin
                output_data[i] <= 0;
            end
        end else begin
            for(i = 0; i < OUTPUT_SIZE; i = i + 1) begin
                output_data[i] <= input_data[i * POOL_SIZE];
                for(j = 1; j < POOL_SIZE; j = j + 1) begin
                    if(input_data[i * POOL_SIZE + j] > output_data[i]) begin
                        output_data[i] <= input_data[i * POOL_SIZE + j];
                    end
                end
            end
        end
    end

endmodule

pooling_layer 模块实现了一个简单的一维池化层。

同样包含时钟信号 clk、复位信号 reset、输入数据 input_data 和输出数据 output_data。

在复位时将输出数据初始化为 0。在正常工作时，对于每个池化窗口，选择窗口内的最大值作为池化结果。通过比较输入数据中每个池化窗口内的元素，将最大值赋给输出数据。

通过将上述卷积层和池化层等模块按照网络结构进行组合和连接，就可以构建完整的 1D-CNN 加速器，并在 FPGA 上实现对一维序列数据的高效处理。

除了 1D-CNN，还有哪些神经网络算法可以在 FPGA 上加速？

1、二维卷积神经网络（2D - CNN）

算法原理：

2D - CNN 主要用于处理具有二维结构的数据，如图像。它通过卷积层中的卷积核在图像的二维平面上滑动，提取图像的特征。例如，在图像分类任务中，卷积核可以提取边缘、纹理等特征。每个卷积核会生成一个特征图，多个卷积核则可以提取多种不同的特征。

池化层通常在卷积层之后，用于减少数据的维度，同时保留重要的特征信息。常见的池化方式有最大池化和平均池化，最大池化选择每个池化区域内的最大值作为输出，平均池化则计算池化区域内的平均值。

FPGA 加速优势：

可以对卷积和池化操作进行并行计算。FPGA 能够同时处理多个像素点的卷积运算，通过合理的资源分配和流水线设计，大大提高计算速度。例如，对于一个的卷积核，FPGA 可以同时对多个的图像区域进行卷积计算，而不是像 CPU 那样顺序处理。

利用片上存储资源（如 BRAM）缓存图像数据和中间结果，减少数据传输的开销。因为在神经网络计算过程中，数据的频繁读取和写入会消耗大量时间，FPGA 的片上存储可以在一定程度上缓解这个问题。

应用案例：

在图像识别领域，如人脸识别系统。通过 FPGA 加速的 2D - CNN 可以快速处理摄像头采集的图像，识别出人脸的特征，用于门禁系统、安防监控等场景。

2、循环神经网络（RNN）及其变体（LSTM、GRU）

算法原理：

RNN 是一种专门用于处理序列数据的神经网络，它的特点是具有循环连接，使得网络能够记住之前的信息。例如，在自然语言处理中的文本生成任务中，RNN 可以根据前面的单词来预测下一个单词。

长短期记忆网络（LSTM）是 RNN 的一种变体，它通过引入门控机制（输入门、遗忘门和输出门）来解决 RNN 中的梯度消失和梯度爆炸问题，从而能够更好地处理长序列数据。门控循环单元（GRU）则是另一种简化的变体，它将输入门和遗忘门合并为一个更新门，减少了参数数量，提高了计算效率。

FPGA 加速优势：

FPGA 可以定制化硬件电路来实现 RNN 的循环结构，减少循环计算的延迟。对于 LSTM 和 GRU 中的复杂门控操作，FPGA 可以通过并行计算和流水线技术加速这些操作。

利用 FPGA 的可重构性，根据不同的序列长度和任务需求，灵活调整硬件资源的分配，优化计算性能。

应用案例：

在语音识别系统中，RNN 及其变体可以用于处理语音信号的时间序列。FPGA 加速后的 RNN 能够更快地对语音信号进行特征提取和序列建模，提高语音识别的准确率和速度。

3、深度神经网络（DNN）

算法原理：

DNN 是一种包含多个隐藏层的神经网络，通过层层堆叠的神经元来学习数据的复杂特征。它的训练过程通常使用反向传播算法来调整神经元之间的连接权重，以最小化预测结果与真实结果之间的误差。

FPGA 加速优势：

FPGA 能够对 DNN 中的矩阵乘法等核心运算进行加速。矩阵乘法在 DNN 中占据了大量的计算资源，FPGA 可以通过并行乘法器和加法器阵列来高效地执行矩阵乘法。

可以定制数据通路，优化数据在不同层之间的流动，减少数据传输的瓶颈。例如，通过合理安排存储资源和计算单元的连接，使数据能够快速地从一层传递到下一层进行计算。

应用案例：

在推荐系统中，DNN 用于对用户的行为数据（如浏览历史、购买记录等）进行建模，以预测用户可能感兴趣的商品。FPGA 加速的 DNN 可以更快地处理大量的用户数据，实时生成推荐结果。

等等……

本次答疑分享就到这里，后续还会持续推出本系列。

END

作者：FPGA佚名侠客
来源：FPGA技术江湖

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