VitisAI-06-DPU-Configuration

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本文对DPU的一些配置选项进行介绍。主要参考文档为pg338，”DPUCZDX8G for Zynq UltraScale+MPSoCs Product Guide”

DPU配置文件

对DPU配置的描述在Vitis工程中，以本系列使用的Vitis工程路径为例，在dpu_trd_system/dpu_trd_kernels/src/prj/Vitis/dpu_conf.vh文件中

该文件中对DPU的配置项主要有以下6个部分

  • Architecture Options

  • URAM Enable/Disable

  • DRAM Enable/Disable

  • RAM Usage Configuration

  • Channel Augmentation Configuration

  • DepthWiseConv Configuration

  • Pool Average Configuration

  • Multiplication Feature Maps

  • RELU Type Configuration

  • DSP48 Usage Configuration

  • Power Configuration

  • DEVICE Configuration

Architecture Options

DPU可以被配置为多种多样的卷积架构，这些架构与卷积单元的并行度有关。DPUCZDX8G的可选架构有：B512、B800、B1024、B1152、B1600、B2304、B3136和B4096。不同的架构对逻辑资源的要求不同，更大的架构能够获得更高性能但是代价是占用更多资源

以下是不同架构在LUT、Register、Block RAM、DSP方面的资源占用情况

Architecture LUT Register Block RAM DSP
B512 27893 35435 73.5 78
B800 30468 42773 91.5 117
B1024 34471 50763 105.5 154
B1152 33238 49040 123 164
B1600 38716 63033 127.5 232
B2304 42842 73326 167 326
B3136 47667 85778 210 436
B4096 53540 105008 257 562

在DPUCZDX8G的卷积操作有3个维度的并行度：像素级并行(Pixel Parallelism，PP)、输入通道并行(Input Channel Parallelism，ICP)和输出通道并行(Output Channel Parallelism， OCP)，以下是不同架构的并行度情况

Architecture PP ICP OCP Peak Ops
B512 4 8 8 512
B800 4 10 10 800
B1024 8 8 8 1024
B1152 4 12 12 1152
B1600 8 10 10 1600
B2304 8 12 12 2304
B3136 8 14 14 3136
B4096 8 16 16 4096

可以看到，架构的命名方式是以每个时钟周期的操作量而定，因为卷积操作是一个乘法跟一个加法，因此单周期操作数为PP*ICP*OCP*2

dpu_config.vh文件中，可以通过如下部分设置所选用的架构

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/*====== Architecture Options ======*/
// |------------------------------------------------------|
// | Support 8 DPU size
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | `define B512               
// +------------------------------------------------------+
// | `define B800                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B1024                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B1152                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B1600                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B2304                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B3136                 
// +------------------------------------------------------+
// | `define B4096                 
// |------------------------------------------------------|

`define B1024

这里选用的是B1024，如果选用其他架构，直接修改B1024替换为所选用架构的名称即可

RAM Usage

权重、偏置和运算过程的一些立即数据是存储在片上内存中的，片上内存包括Block RAM和UltraRAM，不同架构的RAM占用情况不同，高内存占用(High Usage)意味着DPU能够更加灵活的处理中间数据，更高的性能

dpu_config.vh中与RAM相关的配置有URAM、DRAM和RAM

以下配置用于开启或关闭URAM的使用，请注意你所使用的FPGA芯片是否有支持URAM

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// |------------------------------------------------------|
// | If the FPGA has Uram. You can define URAM_EN parameter               
// | if change, Don't need update model
// +------------------------------------------------------+
// | for zcu104 : `define URAM_ENABLE               
// +------------------------------------------------------+
// | for zcu102 : `define URAM_DISABLE                 
// |------------------------------------------------------|

`define URAM_DISABLE

以下配置用于开启或关闭DRAM，请注意你所使用的FPGA芯片是否有支持DRAM

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// |------------------------------------------------------|
// | You can use DRAM if FPGA has extra LUTs               
// | if change, Don't need update model
// +------------------------------------------------------+
// | Enable DRAM  : `define DRAM_ENABLE               
// +------------------------------------------------------+
// | Disable DRAM : `define DRAM_DISABLE                 
// |------------------------------------------------------|

`define DRAM_DISABLE

以下配置用于选择Block RAM的使用是高占用还是低占用

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// |------------------------------------------------------|
// | RAM Usage Configuration              
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | RAM Usage High : `define RAM_USAGE_HIGH               
// +------------------------------------------------------+
// | RAM Usage Low  : `define RAM_USAGE_LOW                 
// |------------------------------------------------------|

`define RAM_USAGE_LOW

Channel Augmentation

通道增强可以用于提升DPU效率，不同架构DPU输入通道最大可以到8的并行度，而一般的卷积运算尤其是图像领域，输入通道通常为3，这样没有充分利用所有输入通道的并行性，而启用通道增强，可以最大程度利用输入通道的并行性

以下是对通道增强的配置，只能选择开启或关闭

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// |------------------------------------------------------|
// | Channel Augmentation Configuration
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | Enable  : `define CHANNEL_AUGMENTATION_ENABLE              
// +------------------------------------------------------+
// | Disable : `define CHANNEL_AUGMENTATION_DISABLE                
// |------------------------------------------------------|

`define CHANNEL_AUGMENTATION_ENABLE

DepthwiseConv

在标准的卷积操作中，每个输入通道对应一个kernel，将所有通道的运算结果结合得到最终卷积结果。而在深度可分离卷积中，运算分为两个步骤：深度卷积和点卷积。深度卷积是指对每个特征图进行单独计算。点卷积是进行1x1的标准卷积。深度可分卷积的并行度只有标准卷积的一半，可以大大提升卷积效率

以下是深度可分卷积的配置

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// |------------------------------------------------------|
// | DepthWiseConv Configuration
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | Enable  : `define DWCV_ENABLE              
// +------------------------------------------------------+
// | Disable : `define DWCV_DISABLE               
// |------------------------------------------------------|

`define DWCV_ENABLE

ElementWise Multiply

元素点积计算两个特征图的Hadamard乘积

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// |------------------------------------------------------|
// | support multiplication of two feature maps
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | Enable  : `define ELEW_MULT_ENABLE           
// +------------------------------------------------------+
// | Disable : `define ELEW_MULT_DISABLE               
// |------------------------------------------------------|

`define ELEW_MULT_DISABLE

AveragePool

该选项决定DPU是否支持平均池化，大小可选2x2、3x3到8x8

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// |------------------------------------------------------|
// | Pool Average Configuration
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | Enable  : `define POOL_AVG_ENABLE              
// +------------------------------------------------------+
// | Disable : `define POOL_AVG_DISABLE                
// |------------------------------------------------------|

`define POOL_AVG_ENABLE

ReLU Type

ReLU类型决定DPU可用哪种ReLU函数，默认支持ReLU和ReLU6

以下是ReLU的配置，最多只能选择ReLU+LeakyReLU+ReLU6

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// +------------------------------------------------------+
// | RELU Type Configuration
// | It relates to model. if change, must update model
// +------------------------------------------------------+
// | `define RELU_RELU6
// +------------------------------------------------------+
// | `define RELU_LEAKYRELU_RELU6
// |------------------------------------------------------|

`define RELU_LEAKYRELU_RELU6

Softmax

该选项可以在硬件实现Softmax操作，硬件实现的Softmax是一个独立的加速器，能够支持INT8输入和浮点输出。硬件实现的Softmax比MPSoC上软件实现的Softmax快160倍。硬件实现的Softmax最大只支持1023个分类的任务，如果类别数超过1023则只能使用软件实现

硬件Softmax并非在dpu_config.vh中配置，而是在vitis的UI界面中添加