【GD32F427开发板试用】使用TinyMaix进行手写数字识别

news2024/9/20 18:35:32

本篇文章来自极术社区与兆易创新组织的GD32F427开发板评测活动，更多开发板试用活动请关注极术社区网站。作者：xusiwei1236

一、TinyMaix简介

TinyMaix是国内sipeed团队开发一个轻量级AI推理框架，官方介绍如下：

TinyMaix 是面向单片机的超轻量级的神经网络推理库，即 TinyML 推理库，可以让你在任意单片机上运行轻量级深度学习模型。

根据官方介绍，在仅有2K RAM的**Arduino UNO(ATmega328, 32KB Flash, 2KB RAM)**上，都可以基于 TinyMaix 进行手写数字识别。对，你没有看错，2KB RAM 32KB Flash的设备上，都可以使用TinyMaix进行手写数字识别！TinyMaix官网提供了详细介绍，可以在本文末尾的参考链接中找到。

所以，在我们这次试用的主角GD32F427上运行TinyMaix完全是没有任何压力的。接下来，我将介绍如何在GD32F427上运行TinyMaix进行手写数字识别。

1.1 TinyMaix开源项目

GitHub代码仓：https://github.com/sipeed/tin…

二、TinyMaix移植

TinyMaix是一个轻量级AI推理框架，他的核心功能就是支持AI模型的各种算子，可以简单理解为一个矩阵和向量计算库。对于计算库的移植，我们通常只需要解决编译问题即可，不涉及外设和周边元件。

2.1 创建TinyMaix移植项目

以上一篇文章提到的VSCode模板项目为蓝本，在GD32F4xx_Demo_Suites_V2.6.1\GD32427V_START_Demo_Suites\Projects子目录下克隆项目到GD32F427V_TinyMaix目录：

git clone https://gitee.com/swxu/GD32F427V_START_Template_VSCode.git GD32F427V_TinyMaix

2.2 添加TinyMaix源码

接下来，克隆TinyMaix源码到到当前项目中：

git clone https://github.com/sipeed/TinyMaix.git

2.3 手写数字识别示例

使用上一篇文章提到的VSCode菜单“终端”->“运行任务”->“create_Makefile”，生成Makefile文件。该任务会调用toMakefile.py脚本，递归遍历当前目录的源文件（.c），再根据Makefile.template生成Makefile文件。具体会更新Makefile.template中的源码文件列表，由于TinyMaix的examples目录内有多个main.c文件，并且每个main.c中都有一个main函数，这会导致编译错误，需要修改：

  • 删除examples目录下除mnist之外的其他所有目录；
  • 将mnist目录内的main.c文件中的main函数重命名为mnist_main；
  • 将mnist目录内的main.c重命名为mnist_main.c；

完成以上修改之后，再次生成项目，才可以编译通过。

三、TinyMaix测试

TinyMaix编译后，还需要添加测试代码才能看到效果。TinyMaix已经项目本身已有一些测试可同时用了，无需我们手动编写，例如手写数字识别。

TinyMaix本身纯CPU计算不依赖于任何外设功能，但TinyMaix基准测试依赖于：

  • 日志打印，具体是printf输出
  • 精准计时，精确到毫秒即可

下面分别介绍如何在GD32F427V-START开发板上实现这两个基础功能。

3.1 基于SysTick的计时

SysTick是ARM-Cortex内核自带的外设，CMSIS软件包对它进行了封装，使用起来非常方便。一般来说，我们在项目代码中使用SysTick只需要在代码中：

  1. 调用SysTick_Config函数设置SysTick中断频率；
  2. 编写SysTick_Handler函数实现SysTick中断处理；

基础项目模板——点灯项目，已经支持了基于SysTick的毫秒级延时，相关代码位于如下几个文件中：

  • gd32f4xx_it.c
  • gd32f4xx_it.h
  • systick.c
  • systick.h

本次移植TinyMaix，需要实现计时功能，可以在点灯项目代码的基础上进行一些修改，具体修如下：

--- a/systick.c
+++ b/systick.c
@@ -35,7 +35,7 @@ OF SUCH DAMAGE.
 #include "gd32f4xx.h"
 #include "systick.h"

-static volatile uint32_t delay;
+static volatile uint32_t ticks = 0;

 /*!
     \brief      configure systick
@@ -63,9 +63,9 @@ void systick_config(void)
 */
 void delay_1ms(uint32_t count)
 {
-    delay = count;
+    uint32_t end = ticks + count;

-    while(0U != delay) {
+    while (ticks != end) {
     }
 }

@@ -77,7 +77,10 @@ void delay_1ms(uint32_t count)
 */
 void delay_decrement(void)
 {
-    if(0U != delay) {
-        delay--;
-    }
+    ticks++;
 }
+
+uint32_t systick_get_ms()
+{
+    return ticks;
+}

3.2 选择UART引脚

开始试用UART进行输出之前，需要选择两个空闲引脚作为UART的TX和RX，以及相应的UART外设。需要查阅如下资料：

  • GD32F427V-START开发板原理图
  • GD32F4xx DataSheet

这里我选择的是PB6和PB7引脚，分别作为USART0_TX和USART0_RX功能。

选定引脚后，即可编写USART0初始化代码：

void uart0_init()
{
    // 使能 模块时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);  // 使能 GPIOB 时钟
    rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0); // 使能 USART0 时钟

    // 设置 USART0_TX USART0_RX 引脚功能
    gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_7, GPIO_PIN_6); // USART0_TX: PB6 AF7
    gpio_af_set(GPIOB, GPIO_AF_7, GPIO_PIN_7); // USART0_RX: PB7 AF7

    // 设置 USART0_TX 引脚 上下拉模式 和 时钟频率
    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_6);
    gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);

    // 设置 USART0_RX 引脚 上下拉模式 和 时钟频率
    gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_PULLUP, GPIO_PIN_7);
    gpio_output_options_set(GPIOB, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_7);

    // 复位 USART0
    usart_deinit(USART0);

    // USART0 参数设置
    usart_baudrate_set(USART0, 115200U); // 波特率
    usart_word_length_set(USART0, USART_WL_8BIT); // 数据位
    usart_parity_config(USART0, USART_PM_NONE); // 校验位
    usart_stop_bit_set(USART0, USART_STB_1BIT); // 停止位
    usart_hardware_flow_cts_config(USART0, USART_CTS_DISABLE); // 禁用 CTS
    usart_hardware_flow_rts_config(USART0, USART_RTS_DISABLE); // 禁用 RTS

    // 使能USART0接收发送
    usart_receive_config(USART0, USART_RECEIVE_ENABLE);
    usart_transmit_config(USART0, USART_TRANSMIT_ENABLE);

    // 打开 USART0
    usart_enable(USART0);
}

3.3 支持printf输出

GCC环境下，重写_write即可实现printf打印输出到UART，如下所示：

int _write (int fd, char *buffer, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        usart_data_transmit(USART0, buffer[i]);
        while(RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE));
    }
    return size;
}

Keil环境下，实现printf打印输出到UART，需要重写fputc：

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    usart_data_transmit(USART0, (uint8_t)ch);
    while(RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TBE));
    return ch;
}

3.4 修改tm_port.h文件

接下来修改tm_port.h文件中的几个宏：

#include "systick.h"
#define TM_DBGT_INIT()     uint32_t _start,_finish; uint32_t _time; _start = systick_get_ms();
#define TM_DBGT_START()    _start = systick_get_ms();
#define TM_DBGT(x)         {_finish = systick_get_ms();                  \
                            _time = _finish - _start;                    \
                            TM_PRINTF("===%s use %lu ms\n", (x), _time); \
                            _start = systick_get_ms();}

3.5 修改mnist_main.c文件

接下来修改mnist_main.c文件，具体修改为：

  • 注释掉tm_stat((tm_mdlbin_t*)mdl_data);调用行；
  • parse_output函数内，打印浮点型置信度的地方修改为：
    float conf = data[i]; printf(“%d: %d.%03d\n”, i, (int) conf, (int) ((conf - (int) conf) * 1000));
  • 以及最后打印结果行，修改为：
    TM_PRINTF(“### Predict output is: Number %d, prob %d.%03d\n”, maxi, (int) maxp, (int) ((maxp - (int) maxp) * 1000));
    PS：这两处打印修改，都是因为暂时没有找到在GCC开发环境下能够在GD32F427上打印浮点数的方法。

3.6 解决编译问题

完成以上修改后，直接编译，会发现如下报错：

c:/program files (x86)/gnu arm embedded toolchain/10 2021.10/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/10.3.1/../../../../arm-none-eabi/bin/ld.exe: c:/program files (x86)/gnu arm embedded toolchain/10 2021.10/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/10.3.1/../../../../arm-none-eabi/lib/thumb/v7e-m+fp/hard\libnosys.a(sbrk.o): in function `_sbrk':
sbrk.c:(.text._sbrk+0x18): undefined reference to `end'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status
Makefile:203: recipe for target 'build/GD32F427V_START.elf' failed
make: *** [build/GD32F427V_START.elf] Error 1

解决方法——链接脚本中添加一段：

.heap :
    {
        . = ALIGN(4);
        __HEAP_START = .;
        . += 0x2000; /* 8K */
        __HEAP_END = .;
        end = __HEAP_END;
        PROVIDE(end = .);
    } > DATA

四、运行手写数字识别

完成以上修改后，就可以在GD32F427上运行手写数字识别示例了，具体输出如下图所示：

可以看到，成功识别了数字2。

本篇内容就到这里了，感谢阅读。

本文完整项目代码仓（感兴趣的同学可以下载下来自行实验）：https://gitee.com/swxu/gd32f4…

五、参考链接

  1. 【极术社区】GD32F47x/42x系列ARM Cortex-M4高性能MCU资料汇总
  2. 【Keil官网】MDK v4 Legacy Support (keil.com)
  3. 【GD官网】GD32F427xx数据手册：https://www.gigadevice.com.cn…
  4. 【GD官网】GD32F427xx用户手册：https://www.gigadevice.com.cn…
  5. 【CSDN】STM32 arm-none-eabi-gcc 交叉编译重定向printf：https://blog.csdn.net/weixin_…
  6. 【CSDN】编译报错—undefined reference to \_sbrk：https://blog.csdn.net/jackcsd…
  7. 【腾讯云社区】ARM探索之旅03 | 如何使用 ARM FPU 加速浮点计算：https://cloud.tencent.com/dev…

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