RTL 设计：CNN 加速器

课程大纲

1. 推理约定
   • 推理与训练概念

     如果仅将输出通道从三个增加到六个，MAC 次数和已存储偏置的数量如何变化？

   • 卷积与互相关概念

     输入窗口 [1,2;4,5] 与卷积核 [1,0;0,-1] 的互相关结果和反转卷积核后的结果分别是多少？

   • 形状、步幅、填充与膨胀概念

     H=7、R=3、步幅 2、顶部填充 0、底部填充 1、膨胀率 2 时，计算 Ho 以及 h=1、r=2 对应的输入坐标。

   • 检查：形状与 MAC 次数测验

     N=1、C=2、H=W=5、M=3，使用 3×3 卷积核、步幅 2、四边填充均为一、膨胀率一。输出形状和 MAC 次数是多少？

2. 数值约定
   • 定点数据位与单位概念

     在 F=4 下将 0.5 与 −1.25 相乘，再加入 F=8 下的偏置 0.25。累加器编码和真实值分别是多少？

   • 比例因子与零点概念

     sx=0.25、zx=128 时，填充编码和 q=132 的真实值是多少？sw=0.5 时，哪个偏置编码表示 0.75？

   • 累加器位宽、舍入与饱和概念

     十八位有符号数是否足以保存九个有符号 int8 乘积之和，且偏置为零？

   • 实验：执行量化约定实验

     使用相同的 uint8 设置量化 −40。编码和反量化值是多少？应添加哪项断言？

3. 参考算子
   • 直接卷积参考概念

     输入 [2,3]、权重 [4,−1]、偏置为一时，如果每次输入通道迭代都加一次偏置，会得到什么错误结果？

   • im2col 与矩阵乘法概念

     H=W=4、C=1，使用无填充的 3×3 卷积核时，计算原始输入元素数、P、K 和展开窗口元素数。

   • 连接 ReLU 与最大池化概念

     uint8 输出零点为 100 时，对 [98,103;101,97] 应用 ReLU 和 2×2 最大池化。

   • 检查：输出处理顺序测验

     对累加器 [−1,2;3,−4] 依次应用乘数 0.5、zy=0、最近偶数舍入、int8 饱和、ReLU 和 2×2 最大池化。最终编码是多少？

4. 流式窗口生成
   • 行缓冲与 3×3 窗口概念

     W=8、H=6 时，计算存储槽数、首个有效的已接收输入索引和窗口总数。

   • Ready/valid 与停顿状态概念

     输出级保持 A，out_ready=0，同时输入 B 有效。下一个时钟沿，该级和生产方必须怎样处理？

   • 实验：暂停后仍保持正确的窗口实验

     如果改为暂停周期零、一、二，且最终接收全部输入，窗口值或数量会改变吗？总周期数是多少？

   • 检查：首个窗口时序测验

     4×4、宽度四、无填充的 3×3 生成器在前四周期不接收输入，之后每周期接收一个像素。首个窗口的已接收输入索引和实际周期分别是多少？两者都从零计数。

5. 映射到 PE 与存储器
   • PE、数据流与 MAC 复用概念

     将 P=3、M=2、K=8 映射到四个输出驻留型 PE。不计写入时，MAC 周期数和有效 MAC 槽利用率是多少？

   • 分块、重叠边缘与部分和概念

     Th=Tw=2、Tc=1、Tm=2，使用 3×3 卷积核、步幅二、膨胀率一时，计算单缓冲输入/权重/32 位和/偏置字节数。

   • 带宽与计算界限概念

     1152 次 MAC、224 字节，使用八个 PE，但带宽仍为 0.5 字节/周期。完全重叠时的下界是多少？

   • 调度、尾部与双缓冲概念

     K=10、四个输出、三个 PE，每个输出增加一个额外周期时，计算模型周期数和仅 MAC 的利用率。

6. 验证与可测量的综合项目
   • 黄金模型与故障分类概念

     参考 [37,47;67,77] 与 [38,48;68,78] 不同。应先检查什么，记录什么？

   • 实验：检验边界情况实验

     在填充测试数据中，将所有卷积核权重替换为一。首个输出是多少？为什么只测试中心不够？

   • 综合项目：小型推理通路与报告实验

     保持 K=9、四个输出、每个输出一个额外周期，但使用三个 PE。模型总周期数和仅 MAC 槽利用率是多少？

   • 最终检查：声明与证据测验

     综合项目的 Node 运行验证了数值一致、36 次 MAC、24 周期调度模型和 90% 的 MAC 槽使用率。哪项完成声明准确？