Subversion Repositories dashGPS

Rev

Rev 2 | Blame | Compare with Previous | Last modification | View Log | Download | RSS feed

  1. /*
  2.  * Copyright (C) 2010-2018 Arm Limited or its affiliates. All rights reserved.
  3.  *
  4.  * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
  5.  *
  6.  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the License); you may
  7.  * not use this file except in compliance with the License.
  8.  * You may obtain a copy of the License at
  9.  *
  10.  * www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
  11.  *
  12.  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
  13.  * distributed under the License is distributed on an AS IS BASIS, WITHOUT
  14.  * WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
  15.  * See the License for the specific language governing permissions and
  16.  * limitations under the License.
  17.  */
  18.  
  19. /* ----------------------------------------------------------------------
  20.  * Project:      CMSIS NN Library
  21.  * Title:        arm_convolve_HWC_q7_fast.c
  22.  * Description:  Fast Q7 version of convolution
  23.  *
  24.  * $Date:        17. January 2018
  25.  * $Revision:    V.1.0.0
  26.  *
  27.  * Target Processor:  Cortex-M cores
  28.  *
  29.  * -------------------------------------------------------------------- */
  30.  
  31. #include "arm_math.h"
  32. #include "arm_nnfunctions.h"
  33.  
  34. /**
  35.  *  @ingroup groupNN
  36.  */
  37.  
  38. /**
  39.  * @addtogroup NNConv
  40.  * @{
  41.  */
  42.  
  43.   /**
  44.    * @brief Fast Q7 convolution function
  45.    * @param[in]       Im_in       pointer to input tensor
  46.    * @param[in]       dim_im_in   input tensor dimention
  47.    * @param[in]       ch_im_in    number of input tensor channels
  48.    * @param[in]       wt          pointer to kernel weights
  49.    * @param[in]       ch_im_out   number of filters, i.e., output tensor channels
  50.    * @param[in]       dim_kernel  filter kernel size
  51.    * @param[in]       padding     padding sizes
  52.    * @param[in]       stride      convolution stride
  53.    * @param[in]       bias        pointer to bias
  54.    * @param[in]       bias_shift  amount of left-shift for bias
  55.    * @param[in]       out_shift   amount of right-shift for output
  56.    * @param[in,out]   Im_out      pointer to output tensor
  57.    * @param[in]       dim_im_out  output tensor dimension
  58.    * @param[in,out]   bufferA     pointer to buffer space for input
  59.    * @param[in,out]   bufferB     pointer to buffer space for output
  60.    * @return     The function returns either
  61.    * <code>ARM_MATH_SIZE_MISMATCH</code> or <code>ARM_MATH_SUCCESS</code> based on the outcome of size checking.
  62.    *
  63.    * @details
  64.    *
  65.    * <b>Buffer size:</b>
  66.    *
  67.    * bufferA size: 2*ch_im_in*dim_kernel*dim_kernel
  68.    *
  69.    * bufferB size: 0
  70.    *
  71.    * <b>Input dimension constraints:</b>
  72.    *
  73.    * ch_im_in is multiple of 4    ( because of the SIMD32 read and swap )
  74.    *
  75.    * ch_im_out is multipe of 2    ( bacause 2x2 mat_mult kernel )
  76.    *
  77.    * The im2col converts the Q7 tensor input into Q15 column, which is stored in
  78.    * bufferA. There is reordering happenning during this im2col process with
  79.    * arm_q7_to_q15_reordered_no_shift. For every four elements, the second and
  80.    * third elements are swapped.
  81.    *
  82.    * The computation kernel arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered does the
  83.    * GEMM computation with the reordered columns.
  84.    *
  85.    * To speed-up the determination of the padding condition, we split the
  86.    * computation into 3x3 parts, i.e., {top, mid, bottom} X {left, mid, right}.
  87.    * This reduces the total number of boundary condition checks and improves
  88.    * the data copying performance.
  89.    */
  90.  
  91. arm_status
  92. arm_convolve_HWC_q7_fast(const q7_t * Im_in,
  93.                          const uint16_t dim_im_in,
  94.                          const uint16_t ch_im_in,
  95.                          const q7_t * wt,
  96.                          const uint16_t ch_im_out,
  97.                          const uint16_t dim_kernel,
  98.                          const uint16_t padding,
  99.                          const uint16_t stride,
  100.                          const q7_t * bias,
  101.                          const uint16_t bias_shift,
  102.                          const uint16_t out_shift,
  103.                          q7_t * Im_out,
  104.                          const uint16_t dim_im_out,
  105.                          q15_t * bufferA,
  106.                          q7_t * bufferB)
  107. {
  108.  
  109. #if defined (ARM_MATH_DSP)
  110.     /* Run the following code for Cortex-M4 and Cortex-M7 */
  111.  
  112.     int16_t   i_out_y, i_out_x, i_ker_y, i_ker_x;
  113.  
  114.     /*
  115.      *  Here we use bufferA as q15_t internally as computation are done with q15_t level
  116.      *  im2col are done to output in q15_t format from q7_t input
  117.      */
  118.  
  119.     q15_t    *pBuffer = bufferA;
  120.     q7_t     *pOut = Im_out;
  121.  
  122.     if (ch_im_in % 4 != 0 || ch_im_out % 2 != 0)
  123.     {
  124.         /* check if the input dimension meets the constraints */
  125.         return ARM_MATH_SIZE_MISMATCH;
  126.     }
  127.  
  128.     /*
  129.      *  Here we split the entire matrix into three regions depending on the padding situation
  130.      *    Top: i_out_y from 0 to padding - 1
  131.      * Middle: i_out_y from padding to dim_im_out-padding-1
  132.      * Bottom: i_out_y from dim_im_out-padding to dim_im_out-1
  133.      */
  134.  
  135.     /* top part */
  136.     for (i_out_y = 0; i_out_y < padding; i_out_y++)
  137.     {
  138.         for (i_out_x = 0; i_out_x < dim_im_out; i_out_x++)
  139.         {
  140.             /* This part implements the im2col function */
  141.             for (i_ker_y = i_out_y * stride - padding; i_ker_y < i_out_y * stride - padding + dim_kernel; i_ker_y++)
  142.             {
  143.                 for (i_ker_x = i_out_x * stride - padding; i_ker_x < i_out_x * stride - padding + dim_kernel; i_ker_x++)
  144.                 {
  145.                     if (i_ker_y < 0 || i_ker_y >= dim_im_in || i_ker_x < 0 || i_ker_x >= dim_im_in)
  146.                     {
  147.                         /* arm_fill_q15(0, pBuffer, ch_im_in); */
  148.                         memset(pBuffer, 0, sizeof(q15_t)*ch_im_in);
  149.                     } else
  150.                     {
  151.                         arm_q7_to_q15_reordered_no_shift
  152.                             ((q7_t *) Im_in + (i_ker_y * dim_im_in + i_ker_x) * ch_im_in, pBuffer, ch_im_in);
  153.                     }
  154.                     pBuffer += ch_im_in;
  155.                 }
  156.             }
  157.  
  158.             if (pBuffer == bufferA + 2 * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel)
  159.             {
  160.                 pOut =
  161.                     arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered(wt,
  162.                                                             bufferA,
  163.                                                             ch_im_out,
  164.                                                             ch_im_in
  165.                                                             *
  166.                                                             dim_kernel * dim_kernel, bias_shift, out_shift, bias, pOut);
  167.                 /* counter reset */
  168.                 pBuffer = bufferA;
  169.             }
  170.         }
  171.     }
  172.  
  173.     /* middle part, here we also divide the x into left, mid and right */
  174.     for (; i_out_y < dim_im_out - padding; i_out_y++)
  175.     {
  176.  
  177.         /* left part */
  178.         for (i_out_x = 0; i_out_x < padding; i_out_x++)
  179.         {
  180.             /* This part implements the im2col function */
  181.             for (i_ker_y = i_out_y * stride - padding; i_ker_y < i_out_y * stride - padding + dim_kernel; i_ker_y++)
  182.             {
  183.                 for (i_ker_x = i_out_x * stride - padding; i_ker_x < i_out_x * stride - padding + dim_kernel; i_ker_x++)
  184.                 {
  185.                     if (i_ker_x < 0 || i_ker_x >= dim_im_in)
  186.                     {
  187.                         /* arm_fill_q15(0, pBuffer, ch_im_in); */
  188.                         memset(pBuffer, 0, sizeof(q15_t)*ch_im_in);
  189.                     } else
  190.                     {
  191.                         arm_q7_to_q15_reordered_no_shift
  192.                             ((q7_t *) Im_in + (i_ker_y * dim_im_in + i_ker_x) * ch_im_in, pBuffer, ch_im_in);
  193.                     }
  194.                     pBuffer += ch_im_in;
  195.                 }
  196.             }
  197.  
  198.             if (pBuffer == bufferA + 2 * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel)
  199.             {
  200.                 pOut =
  201.                     arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered(wt,
  202.                                                             bufferA,
  203.                                                             ch_im_out,
  204.                                                             ch_im_in
  205.                                                             *
  206.                                                             dim_kernel * dim_kernel, bias_shift, out_shift, bias, pOut);
  207.                 /* counter reset */
  208.                 pBuffer = bufferA;
  209.             }
  210.         }
  211.  
  212.         /* mid part */
  213.         for (; i_out_x < dim_im_out - padding; i_out_x++)
  214.         {
  215.             /* This part implements the im2col function */
  216.             for (i_ker_y = i_out_y * stride - padding; i_ker_y < i_out_y * stride - padding + dim_kernel; i_ker_y++)
  217.             {
  218.                 arm_q7_to_q15_reordered_no_shift((q7_t *) Im_in
  219.                                                  +
  220.                                                  (i_ker_y *
  221.                                                   dim_im_in +
  222.                                                   i_out_x *
  223.                                                   stride - padding) * ch_im_in, pBuffer, ch_im_in * dim_kernel);
  224.                 pBuffer += ch_im_in * dim_kernel;
  225.             }
  226.  
  227.             if (pBuffer == bufferA + 2 * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel)
  228.             {
  229.                 pOut =
  230.                     arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered(wt,
  231.                                                             bufferA,
  232.                                                             ch_im_out,
  233.                                                             ch_im_in
  234.                                                             *
  235.                                                             dim_kernel * dim_kernel, bias_shift, out_shift, bias, pOut);
  236.                 /* counter reset */
  237.                 pBuffer = bufferA;
  238.             }
  239.         }
  240.  
  241.         /* right part */
  242.         for (; i_out_x < dim_im_out; i_out_x++)
  243.         {
  244.             /* This part implements the im2col function */
  245.             for (i_ker_y = i_out_y * stride - padding; i_ker_y < i_out_y * stride - padding + dim_kernel; i_ker_y++)
  246.             {
  247.                 for (i_ker_x = i_out_x * stride - padding; i_ker_x < i_out_x * stride - padding + dim_kernel; i_ker_x++)
  248.                 {
  249.                     if (i_ker_x < 0 || i_ker_x >= dim_im_in)
  250.                     {
  251.                         /* arm_fill_q15(0, pBuffer, ch_im_in); */
  252.                         memset(pBuffer, 0, sizeof(q15_t)*ch_im_in);
  253.                     } else
  254.                     {
  255.                         arm_q7_to_q15_reordered_no_shift
  256.                             ((q7_t *) Im_in + (i_ker_y * dim_im_in + i_ker_x) * ch_im_in, pBuffer, ch_im_in);
  257.                     }
  258.                     pBuffer += ch_im_in;
  259.                 }
  260.             }
  261.  
  262.             if (pBuffer == bufferA + 2 * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel)
  263.             {
  264.                 pOut =
  265.                     arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered(wt,
  266.                                                             bufferA,
  267.                                                             ch_im_out,
  268.                                                             ch_im_in
  269.                                                             *
  270.                                                             dim_kernel * dim_kernel, bias_shift, out_shift, bias, pOut);
  271.                 /* counter reset */
  272.                 pBuffer = bufferA;
  273.             }
  274.         }
  275.     }
  276.  
  277.     for (; i_out_y < dim_im_out; i_out_y++)
  278.     {
  279.         for (i_out_x = 0; i_out_x < dim_im_out; i_out_x++)
  280.         {
  281.             /* This part implements the im2col function */
  282.             for (i_ker_y = i_out_y * stride - padding; i_ker_y < i_out_y * stride - padding + dim_kernel; i_ker_y++)
  283.             {
  284.                 for (i_ker_x = i_out_x * stride - padding; i_ker_x < i_out_x * stride - padding + dim_kernel; i_ker_x++)
  285.                 {
  286.                     if (i_ker_y < 0 || i_ker_y >= dim_im_in || i_ker_x < 0 || i_ker_x >= dim_im_in)
  287.                     {
  288.                         /* arm_fill_q15(0, pBuffer, ch_im_in); */
  289.                         memset(pBuffer, 0, sizeof(q15_t)*ch_im_in);
  290.                     } else
  291.                     {
  292.                         arm_q7_to_q15_reordered_no_shift
  293.                             ((q7_t *) Im_in + (i_ker_y * dim_im_in + i_ker_x) * ch_im_in, pBuffer, ch_im_in);
  294.                     }
  295.                     pBuffer += ch_im_in;
  296.                 }
  297.             }
  298.  
  299.             if (pBuffer == bufferA + 2 * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel)
  300.             {
  301.                 pOut =
  302.                     arm_nn_mat_mult_kernel_q7_q15_reordered(wt,
  303.                                                             bufferA,
  304.                                                             ch_im_out,
  305.                                                             ch_im_in
  306.                                                             *
  307.                                                             dim_kernel * dim_kernel, bias_shift, out_shift, bias, pOut);
  308.                 /* counter reset */
  309.                 pBuffer = bufferA;
  310.             }
  311.         }
  312.     }
  313.  
  314.     /* check if there is left-over for compute */
  315.     if (pBuffer != bufferA)
  316.     {
  317.         const q7_t *pA = wt;
  318.         int       i;
  319.  
  320.         for (i = 0; i < ch_im_out; i++)
  321.         {
  322.             q31_t     sum = ((q31_t)bias[i] << bias_shift) + NN_ROUND(out_shift);
  323.             q15_t    *pB = bufferA;
  324.             /* each time it process 4 entries */
  325.             uint16_t  colCnt = ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel >> 2;
  326.  
  327.             while (colCnt)
  328.             {
  329.  
  330.                 q31_t     inA1, inA2;
  331.                 q31_t     inB1, inB2;
  332.  
  333.                 pA = (q7_t *) read_and_pad_reordered((void *)pA, &inA1, &inA2);
  334.  
  335.                 inB1 = *__SIMD32(pB)++;
  336.                 sum = __SMLAD(inA1, inB1, sum);
  337.                 inB2 = *__SIMD32(pB)++;
  338.                 sum = __SMLAD(inA2, inB2, sum);
  339.  
  340.                 colCnt--;
  341.             }
  342.             colCnt = ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel & 0x3;
  343.             while (colCnt)
  344.             {
  345.                 q7_t      inA1 = *pA++;
  346.                 q15_t     inB1 = *pB++;
  347.                 sum += inA1 * inB1;
  348.                 colCnt--;
  349.             }
  350.             *pOut = (q7_t) __SSAT((sum >> out_shift), 8);
  351.             pOut++;
  352.  
  353.         }
  354.  
  355.     }
  356. #else
  357.     /* Run the following code as reference implementation for Cortex-M0 and Cortex-M3 */
  358.  
  359.     uint16_t  i, j, k, l, m, n;
  360.     int       conv_out;
  361.     signed char in_row, in_col;
  362.  
  363.     if (ch_im_in % 4 != 0 || ch_im_out % 2 != 0)
  364.     {
  365.         /* check if the input dimension meets the constraints */
  366.         return ARM_MATH_SIZE_MISMATCH;
  367.     }
  368.  
  369.     for (i = 0; i < ch_im_out; i++)
  370.     {
  371.         for (j = 0; j < dim_im_out; j++)
  372.         {
  373.             for (k = 0; k < dim_im_out; k++)
  374.             {
  375.                 conv_out = (bias[i] << bias_shift) + NN_ROUND(out_shift);
  376.                 for (m = 0; m < dim_kernel; m++)
  377.                 {
  378.                     for (n = 0; n < dim_kernel; n++)
  379.                     {
  380.                         // if-for implementation
  381.                         in_row = stride * j + m - padding;
  382.                         in_col = stride * k + n - padding;
  383.                         if (in_row >= 0 && in_col >= 0 && in_row < dim_im_in && in_col < dim_im_in)
  384.                         {
  385.                             for (l = 0; l < ch_im_in; l++)
  386.                             {
  387.                                 conv_out +=
  388.                                     Im_in[(in_row * dim_im_in + in_col) * ch_im_in +
  389.                                           l] * wt[i * ch_im_in * dim_kernel * dim_kernel + (m * dim_kernel +
  390.                                                                                             n) * ch_im_in + l];
  391.                             }
  392.                         }
  393.                     }
  394.                 }
  395.                 Im_out[i + (j * dim_im_out + k) * ch_im_out] = (q7_t) __SSAT((conv_out >> out_shift), 8);
  396.             }
  397.         }
  398.     }
  399.  
  400. #endif                          /* ARM_MATH_DSP */
  401.  
  402.     /* Return to application */
  403.     return ARM_MATH_SUCCESS;
  404. }
  405.  
  406. /**
  407.  * @} end of NNConv group
  408.  */
  409.