Maix-EMC+TensorLayer：AI科学家的硬件梦 | 嵌入式工程师的AI梦

帝国理工学院计算研究博士

引言

深度学习模型的嵌入式部署一直以来都不是那么得容易，虽然现在有Nvidia Nano和TFLite的树莓派部署，但要么硬件成本太高、功耗太大、要么性能太差，难以实用化和产品化。一方面，AI科学家和工程师没有太多的嵌入式知识，另一方面，嵌入式工程师没有太多AI的知识，因此很需要开源硬件社区来解决这些问题。

本文介绍AIoT目前的情况以及面临的挑战，并讲解Maix-EMC的开发缘由，功能和实现。我们也希望有一定基础的小伙伴可以加入开源社区一起完善Maix-EMC，让大家可以转换更多结构的模型到低成本AIoT硬件上。（参与项目贡献的小伙伴可获赠Maix套装一份！）

嵌入式设备的坎坷AI路sipeed/Maix-EMC嵌入式设备的坎坷AI路

眼瞅着AI红红火火，无数的嵌入式工程师也眼红着。与此同时，一大批AI科学家开发出来的模型，也面临落地问题。基于安卓或者Linux的开发者还好，谷歌大佬给了TFLite的支持，但是没有AI加速器的普通ARM平台板子成本动辄已经几百元了，而跑起模型来却只有几帧。。玩单片机的嵌入式工程师手头的主控芯片往往算力最高仅数百MOPS，内存数百KB，也没有TFLite解释器，一切都是那么绝望。

另一方面，AI科学家和工程师们也有着自己的硬件梦，估计很多人早就用树莓派玩起了TFLite，或者更深入地玩起了Tengine， NCNN等加速引擎。但是没有AI加速器的加持，再怎么优化，帧数还是个位数，价格亲民的树莓派3+摄像头成本也要接近300元了！

作为嵌入式设备主控芯片的老大哥---ARM，早早地出了在自家Cortex-M系列芯片上运行的NN后端支持库：CMSIS-NN。然而其充其量相当于TF的ops的底层实现，需要用户小心翼翼地管理内存，设置量化参数。这都2019年了，谁还想要像5000年前那样手工撸神经网络呢？

2019年，谷歌也推出了TFLite for Micro，与ARM相反，谷歌是从复杂的TFLite往下精简。粗粗翻阅TFLite for Micro的代码，目前还在比较初级的阶段，支持的ops比较少，内存管理貌似不够精简（使用了大量的allocator），为了支持一些动态特性有些许效率的牺牲。当然其优点还是支持从谷歌的TFLite转换。

目前，这两者都还处于实验阶段，还没有跑起来MobileNet等大家耳熟能详的轻量级网络，能跑的只是MNIST或者Cifar10等级的教学意义上的小网络，没有任何的意义，并且它们对要求使用者具有丰富的神经网络经验，包括但不限于：量化，剪枝，蒸馏，压缩。这些都大大限制了它的实用性。

不过，高手在民间，2019年春节，在UP主的QQ群里就活捉了一只来自拉夫堡大学的生猛老博，他的嵌入式神经网络框架NNoM就实现了不错的可用性，让用户可以忽略模型在嵌入式端的实现细节，通过其解释器自动执行完毕。在这个框架下，基本只受限于主控本身内存，算力，以及作者本身的填坑速度了。

新的转机

在2018年末，嘉楠耘智出了一款价格亲民的高素质纯国产AI芯片----K210。其低廉的价格（3美金以下），新颖的核心（RISC-V 64GC），强大的算力（~1TOPS），较低的功耗（0.3~0.5W），以及稳定的货源。吸引了Sipeed和TensorLayer开源社区的注意。围绕着这款芯片，Sipeed开源了一系列的硬件模块设计，制作了多款嵌入式板卡：MAIX Go/Bit/Dock/Duino…

为了方便大家快速上手，Sipeed开发了易用的MaixPy (MicroPython)环境, 并兼容了多数OpenMV接口：

虽然Maix板卡已经具备了运行MobileNet等典型网络的能力，具备了实用性；然而，一直有个问题困扰着Sipeed和TensorLayer社区的小伙伴们：芯片原厂提供的模型转换器主要有以下问题：

对于AI开发者不友好
用户需要经过：h5 -> pb -> tflite -> kmodel 多道工序才能完成转换。
出错提示过于简略
的出错提示让人摸不着头脑，仅会报某层类型不支持，连层号都没有。又因为层的转换涉及到前后文顺序，单靠一个出错时的层号，很难排查。
C#工程过于模块化
虽然转换器本身不是很大的工作量，但是C#工程过于细分，有三四级目录，又没有相应文档说明，很多爱好者即使有心想改进模型转换器，却也耐不住性子去翻阅这样繁杂的工程。

那么好的芯片，没有好用的工具怎么行，既然原厂的工具不好用，那么开源社区组团上吧–>

撸一个模型转换器吧

Maix-EMC的初衷就是做一个好用的、好维护的、社区型、跨平台模型转换器，设计目标如下：

使用Python编写，简洁清晰，适当模块化，让有一定基础的AI工程师能参与完善；
基于层结构的模型解析，对于以层为基础的深度学习框架有一定移植性（如，TensorLayer, Keras）;
使用扁平化，无需复杂解析的模型文件，即时载入内存，即时执行；
嵌入式端解析器使用层类型进行解析，后端运算库具备可插拔性（比如使用CMSIS-NN作为后端）;

这个构想埋在心里很久，一直苦于业务繁忙没有时间去实现，最近总算是抽空断断续续地开始挖了这个坑。。如果你只想使用Maxi-EMC，而不关心它的细节，请看这篇文章：

Maxi-EMC的基础架构

左侧: EMC即这个工作的左侧，将PC端的模型文件转换成二进制扁平化的模型文件。PC端的模型文件我们选用了TensorLayer，因为TensorLayer的层定义高度比较合适，基本等同于kmodel定义的层的高度，两者转换基本只是作了量化，某些层的合并优化，极大地加快了开发进度。反观TensorFlow的pb文件里算子，低到了Add, mul的程度，需要手工整合这些低层次算子到层定义，非常不便。

中间：这个工作的中间是kmodel文件，类似于字节码或者说IR。这里模型文件没有采用通用的protobuf(pb)或者flatbuffer(tflite), 因为对于嵌入式平台来说，它们的解析以及内存消耗都太大。为了快速实现demo，并考虑嵌入式的效率，这里我们借用了k210 sdk中的kmodel v3格式。这个格式本是为K210设计，但是同样适用于普通嵌入式平台，只需新增通用层类型的定义。

右侧：这个工作的右侧是嵌入式硬件平台上的kmodel解释器（interpreter）。对于k210, 我们只需借用SDK本身的kpu.c, 稍作修改即可。对于普通单片机，我们只需将kpu.c中的卷积层计算函数替换成普通的cpu计算函数。这里的计算后端可以借用CMSIS-NN或者NNoM的计算后端，往上套上kmodel层参数的调用wrapper即可。

下面我们从左到右介绍整个流程的实现。

TensorLayer模型转换为kmodel

层结构的转换

由于TensorLayer使用基于层的模型结构描述，整个转换过程比较简单。入口文件是edge_model.py，其中gen_edge_layers_from_network将TensorLayer层转换为EMC的层中间表示形式。这里首先通过platform_table查表选择当前硬件平台使用的TensorLayer层转EMC层的函数表，以及打包模型的函数。

platform_table = {
#   platform       tl layer convertor   model generator
    'k210'      :   [tl_to_k210_table, gen_kmodel]
    #'stm32'    :   gen_stm32_layer_func_table,
}

在tl_to_k210_table中，gen_edge_layer_from_network查找到对应的TensorLayer层类型的表项，并往后匹配到最长的列表，将该列表交给layer_generator 来生成 EMC中间层的list （可能会在前后加了上传/下载/量化/去量化的dummy层）

tl_to_k210_table= {
#   TL layer class          layer_generator     merge
    'Dense'                 :[gen_fc_layer,         [[],]] ,
    'Flatten'               :[gen_flatten_layer,    [[],]] ,
    'Reshape'               :[None,                 [[],]] ,
    'GlobalMaxPool2d'       :[gen_gmaxpool2d_layer, [[],]] ,
    'GlobalMeanPool2d'      :[gen_gavgpool2d_layer, [[],]] ,
    'MaxPool2d'             :[gen_maxpool2d_layer,  [[],]] ,
    'MeanPool2d'            :[gen_avgpool2d_layer,  [[],]] ,
    'Concat'                :[gen_concat_layer,     [[],]] ,
    'Conv2d'                :[gen_k210_conv_layer,  [[], ['BatchNorm'],]] ,
    'DepthwiseConv2d'       :[gen_k210_conv_layer,  [[], ['BatchNorm'],]] ,
    'ZeroPad2d'             :[gen_k210_conv_layer,  [['Conv2d'], \
                                                     ['Conv2d', 'BatchNorm'], \
                                                     ['DepthwiseConv2d'], \
                                                     ['DepthwiseConv2d', 'BatchNorm']]] ,
    'DummyDequant'          :[gen_dequant_layer,    [[],]] ,  
    'SoftMax'               :[gen_softmax_layer,    [[],]] ,  
}

量化操作

由于TensorLayer目前没有很好的量化API，所以在EMC的层转换中附带实现了参数量化。
edge_quant.py中可选minmax或者kld量化。实测对于小模型，minmax还是最简单直接，快速有效的方式。KLD方式可能略有提升，但有时却会负优化。。为了进一步提升精度，我们还使用了Channel Wise的量化方式来降低精度损失。对每一个Channel使用不同的量化参数，直到最后再合并，经测试在大通道的模型中会有一定的优化效果。

后处理及打包

至此我们初步将TensorLayer层转换成了一系列层列表，我们再使用optimize_layers来优化层列表，去除一些抵消的层（如相邻的量化/去量化层），进行一些可选的后处理（比如k210的stride修复步骤）。

然后我们使用gen_kmodel将层列表转换成kmodel层列表中的每个层都有to_kmodel方法，调用该方法即可获得当前层符合kmodel格式的layer body的bytearray结果。gen_kmodel再把所有层的body堆叠在一起，统计好最大的动态内存需求，加好头部，即得到了kmodel。

EMC 层支持的添加

这里简单介绍下如何添加新的层支持。首先在edge_model.py的tl_to_k210_table里加上你需要添加的TensorLayer层与EMC层的转换表项。然后在对应的xxx_layer.py中加上对应的实现。K210相关的加速层在k210_layer.py中实现(目前已经基本实现，但是需要修复一些bug)，CPU计算的非加速层，在edge_layer中实现。只需模仿其中的层的实现，对每个层类型，完成以下一个函数和一个类：

gen_xxx_layer: 输入TL layer list, 转换成EMC layer list；
class xxx_Layer: 需要实现init方法（填充层信息），以及to_kmodel方法（按kmodel格式填充信息，返回打包的bytearray）

事实上，你可以实现自定义的to_xxxmodel方法，在此框架上实现你自己的模型格式。

kmodel简介

kmodel是一个自定义的，扁平化的模型存储格式，模型格式的封装已经在EMC代码里完成，这里简要介绍一下：在EMC中，我们调用了dissect.cstruct, 这是pyhton解析c结构体的库，很方便我们使用k210的kpu.c中关于kmodel的结构体定义。在EMC中，这部分定义放在k210_constant.py中：

kmodel_def ="""
typedef struct
{
    uint32 version;			
    uint32 flags;
    uint32 arch;				
    uint32 layers_length;		
    uint32 max_start_address;
    uint32 main_mem_usage;	
    uint32 output_count;		
} kpu_model_header_t;
typedef struct
{
    uint32 address;
    uint32 size;
} kpu_model_output_t;
typedef struct
{
    uint32 type;
    uint32 body_size;
} kpu_model_layer_header_t;
...

kmodel 头部是kpu_model_header_t，描述了版本，量化位数，层数，最大内存占用大小（驱动中一次性申请该模型需要的动态内存），输出节点数量。在头部之后，排列着若干个kpu_model_output_t，描述输出节点的信息。在输出节点信息之后，排列着所有层的头部信息：kpu_model_layer_header_t，依次描述层的类型，层body的大小。在层头部信息之后，就按层信息依次排列层body数据，其中某些部分会要求一定的字节对齐。

层类型定义在edge_constant.py中，在原始的kpu.h的定义上稍作修改，区分了k210专用层和普通层（这里是为了快速移植K210驱动才使用了K210专用层，理论上仅定义一套通用层标准比较好）

K210的kmodel解释器的实现

可以参见kpu.c, 驱动会按顺序读取kmodel每一层的层信息，根据层类型执行对应函数。
需要注意的是上传/下载操作。K210内存分为6M CPU内存和 2M KPU内存。使用KPU计算的层，需要将待计算的数据上传到KPU内存。在KPU中，可以连续计算很多层CONV相关计算，而无需将结果下载到CPU内存。但是一旦下一层是需要CPU运算的层，则需要进行一次下载才能继续运行。所以，我们需要留意TensorLayer层的顺序，在需要切换KPU/CPU运行的层前后，插入上传，下载的dummy 层。在EMC中，我们使用meta_info[‘is_inai’]字段确认当前的待计算内容是否在AI内存。

另外，KPU计算，使用的2M内存，是以乒乓形式使用，即输入数据在开端，则输出结果在末端进入下一层后，上一层的输出结果作为了输入结果，在末端，计算结果放到了开端。
如此往复计算，EMC中meta_info[‘conv_idx’]记录了当前的卷积层序号，进而可以确认当前的输出结果所在KPU内存的偏移。

其它注意点，需要下载kpu.c查看：https://github.com/kendryte/kendryte-standalone-sdk/blob/develop/lib/drivers/kpu.c