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使用Verilog实现的CNN模块,可以方便的在FPGA项目中使用

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QShen3/CNN-FPGA

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CNN - FPGA

项目由来

  毕业设计,为了蹭热点,选了几个和人工智能相关的课题,本意是希望通过毕业设计让自己了解一下机器学习,比如CNN一类的。很不幸,被体系结构实验室的老师抢走了。于是就面临了这个偏硬件的课题,用FPGA加速人工智能算法。
  毕竟只是本科毕业设计,这个课题在我手里就变成了用FPGA加速CNN,本来的目的还是要完成,在大致了解了CNN之后,还是在极不情愿中做完了这个项目。
  项目本质很简单,使用Verilog实现了一些CNN的模块。几乎没有多少实用价值。 另外,和大多数FPGA加速CNN的项目一样,本项目只能运行推断,不能学习,所以没有后向传播这不怪我,Xilinx自己都已经放弃治疗了。

使用

  模块设计上参照了tensorflow。因为使用了全并行的设计,所以没有引入时序,也没有做流水线我不信哪块FPGA板子的部件延迟会大过总线周期,所以在资源占用上很不合理,可能需要在规模很大的FPGA板子上才能实现一个较大的网络吧也就是说本项目毫无卵用

有以下几个模块:

Conv2d

说明:

  卷积模块,可以进行二维卷积。支持多个卷积核,不同步长,是否启用边缘0填充等

可配置参数:

名称 说明 默认值
BITWIDTH 数据位宽 8
DATAWIDTH 图像的宽度 28
DATAHEIGHT 图像的高度 28
DATACHANNEL 图像通道数 3
FILTERHEIGHT 卷积核的高度 5
FILTERWIDTH 卷积核的宽度 5
FILTERBATCH 卷积核的数量 1
STRIDEHEIGHT 纵向步长 1
STRIDEWIDTH 横向步长 1
PADDINGENABLE 边缘是否使用0填充,1代表是,0代表否 0

输入输出:

名称 类型 说明 长度
data input 输入的图像,数据从第一个通道左上至最后一个通道右下排列,每一个像素值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH × DATAHEIGHT × DATACHANNEL
filterWeight input 卷积核权值,从第一个卷积核左上开始,到最后一个卷积核右下,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × FILTERHEIGHT × FILTERWIDTH × DATACHANNEL × FILTERBATCH
filterBias input 卷积核偏置,按卷积核顺序排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × FILTERBATCH
result output 输出的特征图,从第一张左上开始,到最后一张右下,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × FILTERBATCH × (PADDINGENABLE == 0 ? (DATAWIDTH - FILTERWIDTH + 1) ÷ STRIDEWIDTH : (DATAWIDTH ÷ STRIDEWIDTH)) × (PADDINGENABLE == 0 ? (DATAHEIGHT - FILTERHEIGHT + 1) ÷ STRIDEHEIGHT : (DATAHEIGHT ÷ STRIDEHEIGHT))

Max_pool

说明:

  最大池化模块,可以对输入进行最大池化运算。

可配置参数:

名称 说明 默认值
BITWIDTH 数据位宽 8
DATAWIDTH 特征图的宽度 28
DATAHEIGHT 特征图的高度 28
DATACHANNEL 特征图通道数 3
KWIDTH 池化窗口宽度 2
KHEIGHT 池化窗口高度 2

输入输出:

名称 类型 说明 长度
data input 输入的特征图,像素数据从左上至右下排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH × DATAHEIGHT × DATACHANNEL
result output 输出的特征图,从第一个通道左上到最后一个通道右下,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH ÷ KWIDTH × DATAHEIGHT ÷ KHEIGHT × DATACHANNEL

Avg_pool

说明:

  平均池化模块,可以对输入进行平均池化运算。

可配置参数:

名称 说明 默认值
BITWIDTH 数据位宽 8
DATAWIDTH 特征图的宽度 28
DATAHEIGHT 特征图的高度 28
DATACHANNEL 特征图通道数 3
KWIDTH 池化窗口宽度 2
KHEIGHT 池化窗口高度 2

输入输出:

名称 类型 说明 长度
data input 输入的特征图,数据从第一个通道左上至最后一个通道右下排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH × DATAHEIGHT × DATACHANNEL
result output 输出的特征图,从第一个通道左上到最后一个通道右下,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH ÷ KWIDTH × DATAHEIGHT ÷ KHEIGHT × DATACHANNEL

Relu_activation

说明:

  ReLU激活函数模块。可以根据情况决定卷积之后的特征图要不要连接激活函数。

可配置参数:

名称 说明 默认值
BITWIDTH 数据位宽 8
DATAWIDTH 特征图的宽度 28
DATAHEIGHT 特征图的高度 28
DATACHANNEL 特征图通道数 3

输入输出:

名称 类型 说明 长度
data input 输入的特征图,数据从第一个通道左上至最后一个通道右下排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAWIDTH × DATAHEIGHT × DATACHANNEL
result output 输出的特征图,从第一个通道左上到最后一个通道右下,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × DATAHEIGHT × DATAWIDTH × DATACHANNEL

FullConnect

说明:

  全连接层模块。数据会被展开为一维矩阵,进行全连接运算。

可配置参数:

名称 说明 默认值
BITWIDTH 数据位宽 8
LENGTH 输入数据展开后的长度 25
FILTERBATCH 全连接层参数矩阵的个数 1

输入输出:

名称 类型 说明 长度
data input 输入的特征图,数据从第一个通道左上至最后一个通道右下排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × LENGTH
weight input 参数矩阵的权值,从第一个参数矩阵开头至最后一个参数矩阵结尾,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × LENGTH × FILTERBATCH
bias input 参数矩阵的偏置,按参数矩阵顺序排列,每一个值为有符号定点数 BITWIDTH × FILTERBATCH
result output 输出结果也为一维矩阵,每一个值为有符号定点数,顺序对应权值矩阵的顺序 BITWIDTH × FILTERBATCH

使用示例

input [4703:0] data;
output [7:0] result;

reg [1295:0] weight1;
reg [47:0] bias1;
wire [6911:0] cov_result1;
wire [1727:0] result1, result1_activation;

reg [1295:0] weight2;
reg [23:0] bias2;
wire [383:0] cov_result2;
wire [95:0] result2, result2_activation;

reg [1919:0] weight3;
reg [159:0] bias3;
wire [159:0] result3;

reg [159:0] weight4;
reg [7:0] bias4;

Conv2d#(8, 14, 14, 3, 3, 3, 6, 1, 1, 0) conv2d_1(data, weight1, bias1, cov_result1);
Max_pool#(8, 12, 12, 6, 2, 2) max_pool_1(cov_result1, result1);
Relu_activation#(8, 6, 6, 6) relu_activation_1(result1, result1_activation);

Conv2d#(8, 6, 6, 6, 3, 3, 3, 1, 1, 0) conv2d_2(result1_activation, weight2, bias2, cov_result2);
Max_pool#(8, 4, 4, 3, 2, 2) max_pool_2(cov_result2, result2);
Relu_activation#(8, 2, 2, 3) relu_activation_2(result2, result2_activation);

FullConnect#(8, 12, 20) fullConnect_1(result2_activation, weight3, bias3, result3);

FullConnect#(8, 20, 1) fullConnect_2(result3, weight4, bias4, result);

上面这段代码创建了一个输入为14×14,包含两个卷积层,两个全连接层的CNN。卷积核大小是3×3,卷积层采用最大池化,窗口大小为2×2,并且使用ReLU激活函数,第一个卷积层有6个卷积核,第二个卷积层有3个卷积核。

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