【集创赛】紫光同创杯国一的心路历程

1 写在前面

    好多佬们问我开不开源，这个等我考完研吧，先写一篇学习路线给大家参考，同时鼓励大家多多参与科创竞赛，相信自己，只要肯学，都会有的。

    up算是一个小白，用了八个月时间全栈过了一遍FPGA，上位机开发，YOLO模型部署，本来以为能够稳3争2， 没想到拿了国一，也算是运气比较好吧。当然也付出了相当多的努力，别人开始考研的时候我还在学FPGA，每天早上8点学到晚上11点，有时候会熬夜加班，分赛区决赛和全国总决赛基本上通宵干活的。

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 up只是小白，如果文中有技术错误or讲不清楚的地方，欢迎各位大佬评论区批评指正

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1.1 专业背景

up是微电子学院，集成电路设计与集成系统专业的，大二（2022年）有FPGA的专业课，学习了一些基础的verilog语法，用zynq7020做了一个硬件串口。

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实际上up的基础一般，跟视频相关，接口相关（VESA HDMI PCIE ETH HSST）也是一点点学起来的，大家大可以把我当作小白。

因为对FPGA有那么点熟悉，所以集创赛选择赛道的时候选择了FPGA赛道，又对视频处理有那么一点点兴趣，所以选择了紫光同创杯。

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1.2 团队分工

三人小队原始分工：

up本人：FPGA数据链路和算法；

队友A：PCIe上位机；

队友B：上位机YOLO模型部署；

实际分工：

up本人：全栈过了一遍FPGA设计，上位机设计，YOLO模型部署和优化；

队友A：六七月去了夏令营，PCIe上位机没做完，被up接手了，八月回来做上位机GUI优化和一部分视频算法；

队友B：前期完成了yolo的部署和部分功能的实现，另一方面为三人小队顶住了课业压力（小学期实习课程团队答辩），七八月暑假回家了，在他指导下up一周速通了yolo的环境搭建和部署，后续又做了软件的优化，模型的量化和加速；

1.3 心路历程

原谅我垃圾的版本控制（雾

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  • 1~2月：选定赛题，开始学习FPGA（可以看看我B站笔记的），学习VESA规格，X家的DMA IP，VDMA IP等等，初步了解帧缓存、AXI协议等等；
  • 3月：忙着开学考试、做学院的PPT，我们跟组委会借了板子，也自己买了一块，三月底开始尝试PDS和板子的一些基础功能，跟着奇哥复习AXI总线（奇哥的AXI真的讲的很透彻，建议大家都看看，资料汇总我放在后面），三月底基本上了解紫光DDR IP的使用，开始尝试经过DDR帧缓存的环回；
  • 4月：四月初做完了一路AXI主机的DDR缓存，实现了HDMI视频环回；然后开始了解视频缩放，根据双线性插值算法，自己写了verilog逻辑（有点费资源）；四月中下旬完善了四路AXI主机和AXI仲裁器，做完了HDMI四路的视频环回，后续买了双目摄像头，又改成了摄像头输入两路，不过bug不断，debug了很长时间；四月下旬开始学习PCIe协议，同时了解紫光PCIe IP的使用；这个时候视频环回的链路已经基本实现了；
  • 5月：校运会来了，学生会忙起来了，做项目时间减少，同时五月底还有专业课考试，忙起来了；继续研究PCIe，写了几个PCIe demo让队友做测试（有点像黑箱，一点点试，不过看紫光IP核给的仿真会清晰很多，配置过程，DMA过程等等，笔记放后边）；初赛交作品前已经实现了PCIe抓取单帧图片传输并保存为bmp文件，不过由于当初没考虑到大小端转换，所以传的图片有撕裂，而且色彩有问题；另外没有考虑好上位机怎么和YOLO传输数据；
  • 6月：一边开发FPGA的以太网UDP协议，一边摸鱼，等分赛区决赛结果，跟着正点原子过了MDIO，RGMII转GMII，ARP和UDP协议；进分赛区决赛后开始加足马力继续肝项目，这时候队友A去夏令营了，所以PCIe上位机被我接手了，摸清楚上位机结构之后，修修补补实现了PCIe抓取视频流并显示，通过虚拟摄像头传递给YOLO识别（这里是GPT提醒我们能够使用v4l2，队友B最后通过ffmpeg实现了视频流传递）
  • 7月：一边是小学期生产实习课程压力（这里感谢队友B帮我顶住了小组答辩的压力，让我有时间专注项目），一边是继续肝项目，在紫光PCIe测试平台的基础上，up改了一套测试平台v2.0，另外以太网遇到了点问题，分赛区决赛前没调出来（国赛也没调出来）；分赛区决赛，东北赛区五进一，没想到我们完成度相对来说很高，此时已经实现了HDMI输入，双目OV5640输入拼接，HDMI输出，PCIE输出，上位机能够顺利抓取和给YOLO识别，识别帧率40FPS左右（已经通过TensorRT加速），最后一等奖进了国赛。七月下旬队友B放假回家，我留校继续做项目，一个周速通YOLO，一个周对软件代码做了优化，帧率从40FPS提高到60FPS。
  • 8月：放假了，专注项目，队友A回归，开始做视频算法，做了直方图均衡，但是对彩色的并不友好，放弃了，做了简单的RGB YUV转换，在Y分量上操作，简单的视频增强，接着去做上位机GUI优化；我继续用一个周调网口，环回输入没调出来，但是做了以太网上位机；我继续用三天速通了光口，参考IEEE 802.3写了握手协议。最后只给了半个周来做PPT和文档完善，时间实在不够，我一边做文档一边又再看yolov8，最后提供了多种模型以供选择，19号从大连飞重庆，在机场延误四个小时，差点没交上作品，PPT和文档没做好是遗憾之一。

2 FPGA设计

2.1 结构框图

提供了两种设计方案，由于PLG50H只有一个HSST资源，所以PCIE 光口不可兼得。

以双板方案为例，开发板1负责视频采集和拼接，提供了HDMI输入、缩放后通过光口环回，两路视频输入，OV5640两路视频输入，通过四路AXI主机仲裁实现帧缓存，输出时对四路画面进行拼接；开发板2负责图传，视频信号通过HDMI与开发板1连接，有一路AXI主机帧缓存，提供HDMI、PCIE、ETH三种输出方式。

单板设计方案：

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双板设计方案：

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输入视频规格：

视频链路 分辨率 刷新率 色彩格式/色深
HDMI 1920x1080 60Hz RGB888
OV5640 960x540 30Hz RGB565
内部数据链路 - 与视频源相同 32bits
*HSST光纤环回 960x540 60Hz RGB565

2.2 双线性插值算法

双线性插值算法是根据网上的原理来写的，用了RAM资源来缓存，主要是确保好RAM或者FIFO预读出正确就行，保证de和像素数据同步，最后实现了1080P->540P，但是我这样写似乎比较浪费资源，有大佬有更好的写法

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2.3 AXI主机仲裁器与帧缓存

为了保证视频正常输出，通过DDR缓存是必要的，紫光的DDR IP是精简的AXI FULL接口，所以AXI协议肯定要整明白，建议大家啃ARM的手册，另外可以和奇哥学，B站有视频（FPGA奇哥，链接放后面），讲的很透彻。

使用四路帧缓存设计，AXI主机能够实现地址自增、帧缓存切换等功能，同时读写状态机独立设计

为了保证四路视频正确缓存，还需要有序地把AXI主机接入DDR IP，多路视频缓存可以参考正点原子双目OV5640的例程，看看他的状态机设计和接入方法，这里我是自己写了仲裁器的读写状态机，对于不同的输入都有较好的兼容性。仲裁器根据每路FIFO的水位控制AXI握手。

这里debug了好久，修修补补，所以整体跳转逻辑有点乱。

帧缓存设计：

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AXI写仲裁：

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AXI主机写操作：

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AXI读仲裁：

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AXI主机读操作：

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2.4 视频拼接和HDMI输出

这里是用了一个能够产生VESA时序的模块（本质上是计数器），能供提供vs，hs，de和输出扫描的xy坐标，根据上述信号控制每路读FIFO输出即可。要控制好输出像素和de信号对应，不然输出会出现倾斜或者错位。

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2.5 PCIe接口

这部分可以算是比赛的一个难点之一，但是大家进国赛了基本上都做出来了。

首先是要学习PCIe协议，这里推荐一个大佬写的：http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100053251，主要要理解PCIe TLP 和 Header类型，发送数据用Mwr 32比较多

然后还要看紫光的PCIe怎么用，这里要看他仿真的过程，RC如何配置EP，RC如何操控EP进行DMA，仿真看懂了可以上板子，通过debug核抓信号，进一步验证。最后再自己魔改，写verilog和上位机，发送符合协议要求的TLP包，紫光这个PCIe IP给的是AXI-S接口，还算好用。

另外要多看IP手册，了解引脚定义和功能，以及例程的相关说明；

而且PCIe需要搭配上位机食用，上位机主要涉及配置PCIe，分配DMA空间，控制FPGA采集，释放DMA空间。

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2.6 以太网接口

以太网可以跟着正点原子的FPGA课程学习，了解MDIO、RGMII转GMII、ARP、UDP等，RGMII转GMII可以参考小眼睛官方给的例程。

这里遇到的一个问题，就是开发板的两个网口对接之后（本来想做环回的），一个网口gmii转出来的rx_error信号一直拉高，另一个网口gmii的valid信号一直拉高，根本没法用，但是跟电脑网口或者其他开发板网口对接就没有这种问题。这个问题困扰了两个月，一直没有解决。决赛答辩的时候问了这个问题，徐工说可能是rx_delay设置的问题，这个还没有尝试。

由于上面这个问题，环回输入没做成，想让开发板和另一块开发板做远端环回的，但是存在断连的情况，有时候发送着发送着灯就灭了，画面停顿，过了几秒两个网口重新自协商继续传输。

最后只做了以太网发送视频到上位机，基于UDP协议，实现540P视频的发送，但是丢包严重，不得不在每个UDP包里面加上序号保证丢包不会造成大规模画面撕裂；

2.7 HSST 光模块

首先是看IP手册，然后看例程的仿真，观察HSST怎么工作的。

这里有个坑点是HSST IP不完整，还需要用户自己实现握手，在复位后发送有序集和组码进行握手，字节对其，参考IEEE 802.3 36小节。

在这基础上可以把HSST当成一个提供了GMII接口的PHY芯片，我在上面又套了一个UDP协议。

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3 上位机设计

3.1 GUI设计

紫光的PCIe测试平台魔改过来的，可视化界面用的gtk库，用法和QT很像，照猫画虎地增加了很多功能。

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3.2 PCIe上位机

紫光原本提供的PCIe测试平台只能在ubuntu16.04使用，后来我迁移到了ubuntu23.04，主要是linux PCIe分配DMA内存和释放内存的函数有了更新，旧版函数没办法在新系统里面使用。

PCIe上位机主要是要看懂官方给的代码和功能对应的关系，如何分配内存，如何通知FPGA开始DMA操作，看懂了才能魔改驱动。原本限制DMA大小4096Byte，我们改成了DMA大小是4096x1024Byte，刚好大于1920x1080x2Byte，可以用于视频传输。

上位机同样是用了帧缓存设计，根据PCIe TLP包带的数据判断哪一帧是最新帧，从而让程序把数据从内核态传递给用户态，再在用户态对视频数据做处理。

3.3 以太网上位机

以太网上位机比PCIe上位机好写多了，由于底层驱动网卡厂家给你写好了，只需要会用socket编程就行，网上大把资料，用socket绑定好网口之后接手就行。

另外如果有能力可以用ARP和开发板交换一下IP和MAC，不然用静态IP也行。

3.4 上位机的数据链路

在GPT的提醒下，我们使用了V4L2和FFMPEG，将视频流传递给/dev/video0，YOLO和其他应用调用虚拟摄像头就可以读取到视频流。

上位机集成的YOLO开关通过.sh脚本实现C对python的调用。

4 AI算法部署

4.1 模型选择和数据集处理

这里我们选择了YOLO的模型，提供了YOLO V5S V5M V8N V8S V8M多个模型以供调用，均训练了150轮。（下面这个图我们费了老大劲了，在AUTODL平台上租了卡连着跑了好久，虽然理论上v8要好不少，但是实际检测的时候感觉v5效果更好一些）

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关于YOLO，CSDN上有很多资料，保姆级手把手教你配环境，标注，划分数据集，训练，检测。部署好YOLO之后可以看看YOLO检测代码（detect.py）的解读，如果不需要深入理解，看懂检测代码也就够了。

另外YOLO V8把各种功能都封成API了，所以建议参考YOLO官方文档，看懂了v5，学v8也很快。

我们选用了官方提供的交通灯数据集（VOC数据集中的一个小类好像），但是确实一般，训练好后map只有0.65+，国一的几支队伍好像没用官方给的，而是直接用了COCO。

4.2 模型量化和加速

量化主要是将FP32转换为FP16，上面的图可以看见速度提高了很多；

加速使用了英伟达的TensorRT推理框架，原理不多介绍，在降低一些精度的情况下大幅提高了推理速度，部署CSDN上也有很多。

另外16：9输入的视频，在YOLO选择输入图片参数的时候可以将640x640改成384x640，这样速度会快很多，反正宽度不够的也是补无用数据。

4.3 软件优化

其实v5官方提供的代码有一个问题，用opencv库进行数据的载入和显示（cv2.read()和cv2.imshow()），这很吃CPU和内存，通过line_profiler性能分析工具可以分析每段代码的用时，尝试了多种方法之后发现子线程输入，主线程推理，子进程显示的帧数最高，从40FPS提高到了60FPS，这算是我们一个创新点。
这里补充一句，Python的效率是不如C++的，不过up是小白，Python会比较友好，用C++写YOLO性能会好不少。

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ps.赛题完成情况：

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5 学习资料汇总

5.1 他山之石，可以攻玉

5.2 UP自己的笔记

我认为养成做工程写blog的习惯很重要，所以一路上做了很多笔记，之前是在b站记的，但是感觉编辑器不友好，所以改用有道云了。

防杠声明，由于笔记是随着工程一点点写的，早期工程有bug，后续改进后笔记没更新，大家做个参考即可。

1.紫光DDR IP与Modelsim的安装与使用:

https://note.youdao.com/s/9yuHHCgu

2.VESA Monitor Timing Standard 时序实现与HDMI输出:

https://note.youdao.com/s/ExhGhZTu

3.基于紫光FIFO IP和DDR IP的HDMI环回实验

https://note.youdao.com/s/KmRKDEAm

4.基于FPGA的双线性插值法实现视频缩放

https://note.youdao.com/s/LZGig5Lo

5.AXI多主机单从机仲裁器与四路视频环回

https://note.youdao.com/s/XnX3b3fq

6.解构紫光PCIE IP

https://note.youdao.com/s/U6H3m1a6

7.以太网接口与协议

https://note.youdao.com/s/aGw6AUt2

8.解构紫光HSST IP

https://note.youdao.com/s/BCYt4itk

*PDS啸寄巧：

https://note.youdao.com/s/G8B3qWwS

写完了，希望大家给up一个关注+三连！！！有问题可以在b站留言，有道云的评论不一定能看到。

2023.9.22 尝试在github搭建了blog，后续可能会考虑更细其他blog或者项目上去，欢迎大家关注啊