Day 13 - 如何使用外部的記憶體來進行資料的存取

16th鐵人賽

Lizhou

2024-09-28 23:48:11

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前言

昨天有說到，通常當輸入把所有的模型資料都塞進 MCU 以後，可能會發現一些尷尬的事情，可以用的資源很有可能已經到了極限，如果還要加入其他的應用就變得有困難。因此今天要來分享如何使用外部記憶體來進行應用。

先備知識

首先我們要先大概知道，大部分 MCU 是使用 Harvard 架構，這個架構大概如下表示：

這邊可以看到 MCU 透過 Instruction Memory（通常也就是 Flash Memory）進行指令讀取（也就是讀取程式碼），接著再透過 Data Memory（通常也就是 SRAM）讀取資料進行運算。
因此通常我們看到的 MCU 使用的 Memory 資源圖（如下圖所示）中的 ROM 和 RAM 分別指的就是上面的 Instruction Memory 和 Data Memory（這邊的 ROM 和 RAM 命名不一定，要看 Linker script 是怎麼寫的）：

而這邊的資源通常都是指 CPU 上面原生的 Memory 資源，例如上面的圖就顯示了 U585 可以使用的原生 Internal Flash 和 Internal SRAM 資源，分別為 2MB 和 768KB，如果想要增加這個部分的資源，就需要透過加入外部的記憶特進行運算。

這邊可以先簡單看一下底下的 U5 系列的系統架構圖：

這邊可以看到除了原生擁有的 Internal Flash 和 SRAM 以外，右下角還提供了 OCTOSPI1 和 OCTOSPI2 可以讓你額外連接 External Flash / External SRAM。

而在 B-U585I-IOT2A 這塊開發板上，已經預先幫你先上好了一塊 SRAM 和 FLASH，分別就是掛在 OCTOSPI1 和 OCTOSPI2 上，因此可以直接進行使用。

使用 External Memory

使用 External Memory 來進行 EdgeAI 的操作分成兩個部分，一個是先要實現“如何透過連接介面（OCTOSPI）對連接的 External memory 進行控制”，另一個則是要怎麼把你想放進去得資料丟到相應的地區進行使用，而使用這塊開發板很好的事情是，幾乎兩個部分都幫你做好非常多的準備了，你只要稍微修改部分資料就能夠快速進行應用。

這邊就直接透過上次用到一半的 CubeMX 專案進行測試（Efficient Net 那個），來看看要怎麼使用。
首先可以到 X-AI Model 的部分進行上次沒操作到的 Memory 設定，首先是 RAM 的部分，把所有的 Activation buffer 都放到 External SRAM 裡面進行操作：

然後是 Flash 的部分，把 Network Data 生成獨立的 binary 檔案以後，放到 External Flash 裡面：

這邊可以看到地址填分別是 SRAM: 0x90000000 和 FLASH: 0x70000000，這個部分可以參考 U5 系列的 Datasheet:

接著可以直接按確認，CubeMX 就會重新計算整個網路的資訊並且設定，然後再重新生成 Code。
這時候可以在生成的 Code 裡面可以看到幾個檔案（應該會在 Driver/BSP 資料夾底下）：

這幾個檔案就是 ST 預先寫好給 B-U585I-IOT2A 的 BSP 檔案（Board support package），這幾個檔案就是操作開發板上 External Flash / External SRAM 的 Driver，這個直接省去需要自己看著 Datasheet 刻程式的時間成本。

這時候我們回去看 void MX_X_CUBE_AI_Init(void)（在app_x-cube-ai.c底下)，理應會看到以下的程式碼：

void MX_X_CUBE_AI_Init(void)
{
    MX_UARTx_Init();
    // 初始化透過 OCTOSPI 連接的 External NOR FLASH
    BSP_OSPI_NOR_Init_t ospiInit;
    ospiInit.InterfaceMode=BSP_OSPI_NOR_OPI_MODE;
    ospiInit.TransferRate=BSP_OSPI_NOR_STR_TRANSFER;
    BSP_OSPI_NOR_Init(0, &ospiInit);
    // 使用方式是利用 Memory Map，這樣就會把 Memory 映射到 0x70000000
    BSP_OSPI_NOR_EnableMemoryMappedMode(0);
    // 初始化透過 OCTOSPI 連接的 External SRAM
    BSP_OSPI_RAM_Init(0);
    // 使用方式是利用 Memory Map，這樣就會把 Memory 映射到 0x90000000
    BSP_OSPI_RAM_EnableMemoryMappedMode(0);
    aiSystemPerformanceInit();
    /* USER CODE BEGIN 5 */
    /* USER CODE END 5 */
}

如果沒有，可能需要自己補一下缺失的地方XD 因為這工具還是有一些 bug 要克服，可以看上面我的註解大概了解這些 code 分別是在做什麼。

當加好這些東西以後，可能還需要多做一件事情（不確定，因為感覺也是工具的 bug?），就是透過修改 Linker script 去把 activation buffer 指定到 External SRAM。
首先打開 STM32U585xx_FLASH.ld，修改開頭加入 External Memory：

/* Memories definition */
MEMORY
{
  RAM	(xrw)	: ORIGIN = 0x20000000,	LENGTH = 768K
  ROM	(rx)	: ORIGIN = 0x08000000,	LENGTH = 2048K
  EXTSRAM (xrw) : ORIGIN = 0x90000000, LENGTH = 32M
  SRAM4 (xrw)   : ORIGIN = 0x28000000,  LENGTH = 16K
}

然後再加入 activation buffer 的區段：

  .activations :
  {
    . = ALIGN(8);
    __activations_start__ = .;
    *(.activations)
    . = ALIGN(8);
    __activations_end__ = .;
  } >EXTSRAM

最後在 app_x-cube-ai.c 中把 pool0 指定到剛剛設定的區段：

AI_ALIGNED(32)
static uint8_t pool0[AI_NETWORK_DATA_ACTIVATION_1_SIZE] __attribute__((section(".activations")));
ai_handle data_activations0[] = {pool0};

完成以上的步驟就可以開始燒錄程式了，但還記得剛剛在 External Flash 上我們有把 Network data 分別成一個單獨的檔案，應該可以在專案根目錄底下看到這個檔案 network_data.bin，這個也需要單獨燒到 external flash 上，還好 ST 的工具也十分齊全，透過 ST32Cube-Programmer 就能輕鬆做到。
首先打開 Programmer，找到 External Loader（左下角第三個選項），然後選擇 B-U585I-IOT2A 這塊板子，並且勾選起來，如下圖：

接著再到 External Loader 中（左上選單第二個選項）選擇剛剛的 network_data.bin 檔案，並且燒錄，如下圖：

這樣 network_data.bin 就燒錄完成了，接著再正常燒錄程式剩餘編譯出來的程式就可以。
另外在編譯完成的時候，其實也可以注意到，相比於一開始的 Memory 使用量，這邊跑出來的結果差非常多：

這就是把資料分開燒錄以及加入External SRAM 的結果。