如何在 MCU 上實(shí)現(xiàn) DS-CNN KWS

使用一類新興的高效算法，任何開發(fā)人員現(xiàn)在都可以在低功耗、資源受限的系統(tǒng)上部署復(fù)雜的關(guān)鍵字識(shí)別功能。這個(gè)由兩部分組成的系列的第一部分展示了如何使用 FPGA 來做到這一點(diǎn)。在第二部分中，我們將展示如何使用 MCU 來做到這一點(diǎn)。

關(guān)鍵字發(fā)現(xiàn) (KWS) 技術(shù)已成為可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他智能產(chǎn)品越來越重要的功能。機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以提供卓越的 KWS 準(zhǔn)確性，但這些產(chǎn)品的功能和性能限制直到最近限制了大型企業(yè)或經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)器學(xué)習(xí)專家對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí) KWS 解決方案的使用。

然而，開發(fā)人員越來越需要在可穿戴設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中在能夠在這些設(shè)備的資源限制內(nèi)運(yùn)行的更高效的 KWS 引擎上實(shí)現(xiàn)語音激活的 KWS 功能。深度可分離卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (DS-CNN) 架構(gòu)修改了傳統(tǒng)的 CNN 以提供所需的效率。

使用硬件優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)需要最少資源的基于 MCU 的 DS-CNN 推理引擎。本文描述了 DS-CNN 架構(gòu)，并展示了開發(fā)人員如何在 MCU 上實(shí)現(xiàn) DS-CNN KWS。

為什么選擇 KWS？

消費(fèi)者對(duì)使用“Alexa”、“Hey Siri”或“Ok Google”等短語的智能手機(jī)和家用電器上的語音激活功能的接受度已迅速演變?yōu)閷?duì)幾乎所有為用戶交互而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的語音服務(wù)的廣泛需求。在這些服務(wù)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的語音識(shí)別依賴于各種人工智能方法來識(shí)別口語單詞，并將單詞和詞組解釋為適合應(yīng)用程序的命令。

然而，快速準(zhǔn)確地完成整個(gè)語音命令序列所需的資源開始超過低成本線路供電消費(fèi)集線器的能力，更不用說電池供電的個(gè)人電子產(chǎn)品了。

語音命令管道要求

為了在這些產(chǎn)品上提供語音激活，開發(fā)人員將語音命令管道拆分或?qū)⒄Z音命令限制為幾個(gè)非常簡(jiǎn)單的詞，例如“開”和“關(guān)”。在資源有限的消費(fèi)產(chǎn)品上，開發(fā)人員使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理引擎實(shí)現(xiàn) KWS 功能，該引擎能夠?yàn)?Alexa、Siri 或 Google 的簡(jiǎn)單命令或命令激活短語提供所需的高精度、低延遲響應(yīng)（圖 1）。

在這里，設(shè)計(jì)將輸入音頻流數(shù)字化，提取語音特征，并將這些特征傳遞給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以識(shí)別關(guān)鍵字。

圖 1：使用 KWS 進(jìn)行語音激活使用處理管道從音頻輸入信號(hào)中提取頻域特征，并對(duì)提取的特征進(jìn)行分類，以預(yù)測(cè)輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)于用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽之一的概率。（圖片來源：Arm?）

通過將幅度調(diào)制的音頻輸入流轉(zhuǎn)換為頻譜圖中的特征，開發(fā)人員可以利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 模型經(jīng)過驗(yàn)證的能力，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練期間使用的標(biāo)簽之一對(duì)口語進(jìn)行準(zhǔn)確分類。2對(duì)于更復(fù)雜的語音接口，命令處理管道超出了設(shè)備本身。在 KWS 推理引擎檢測(cè)到激活關(guān)鍵字或短語后，產(chǎn)品將數(shù)字化的音頻流傳遞給基于云的服務(wù)，能夠更有效地處理復(fù)雜的語音處理和命令識(shí)別操作。

盡管如此，設(shè)備資源可用性和推理引擎資源需求之間的沖突仍使開發(fā)人員試圖將這些方法應(yīng)用于更小的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的嘗試。盡管經(jīng)典的 CNN 相對(duì)容易理解且易于訓(xùn)練，但這些模型仍然可能是資源密集型的。隨著 CNN 模型在識(shí)別圖像方面的準(zhǔn)確度大幅提高，CNN 的大小和復(fù)雜度也顯著增加。

結(jié)果是非常精確的 CNN 模型，需要數(shù)十億計(jì)算密集型通用矩陣乘法 (GEMM) 操作進(jìn)行訓(xùn)練。一旦經(jīng)過訓(xùn)練，相應(yīng)的推理模型可能會(huì)占用數(shù)百兆內(nèi)存，并且需要非常大量的 GEMM 操作才能進(jìn)行單個(gè)推理。

對(duì)于電池供電的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，有效的 KWS 推理模型必須能夠在有限的內(nèi)存中運(yùn)行且處理要求低。此外，由于 KWS 推理引擎必須在“始終開啟”模式下運(yùn)行才能執(zhí)行其功能，因此它必須能夠以最低功耗運(yùn)行。

在越來越有吸引力的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的潛力與有限資源之間的這種二分法引起了機(jī)器學(xué)習(xí)專家的極大關(guān)注。結(jié)果是開發(fā)了優(yōu)化基本 CNN 模型的技術(shù)，并出現(xiàn)了替代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠彌合小型資源受限設(shè)備的性能要求和資源能力之間的差距。

小尺寸型號(hào)

在創(chuàng)建小型模型的技術(shù)中，機(jī)器學(xué)習(xí)專家已經(jīng)應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)修剪和參數(shù)量化等優(yōu)化方法來生成 CNN 變體，這些變體能夠提供幾乎與完整 CNN 一樣準(zhǔn)確的結(jié)果，但只使用了一小部分資源。這些降低精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功為二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (BNN) 架構(gòu)鋪平了道路，該架構(gòu)將模型參數(shù)從 32 位浮點(diǎn)數(shù)，甚至早期 CNN 中的 16 位和 8 位浮點(diǎn)數(shù)減少到 1 位價(jià)值觀。如第 1 部分所述，Lattice Semiconductor機(jī)器學(xué)習(xí)SensAI?平臺(tái)使用這種高效的 BNN 架構(gòu)作為 1 毫瓦 (mW) KWS 解決方案的基礎(chǔ)，該解決方案在其基于 FPGA 的iCE40 UltraPlus移動(dòng)開發(fā)平臺(tái)，或 MDP。

除了網(wǎng)絡(luò)修剪和參數(shù)量化等簡(jiǎn)化技術(shù)外，還有其他降低資源需求的方法可以修改 CNN 架構(gòu)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這些替代架構(gòu)中，深度可分離卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種特別有效的方法來創(chuàng)建能夠在通用 MCU 上運(yùn)行的小型、資源高效模型。

在早期工作的基礎(chǔ)上，谷歌機(jī)器學(xué)習(xí)專家找到了一種通過關(guān)注卷積層本身來提高 CNN 效率的方法。在傳統(tǒng)的 CNN 中，每個(gè)卷積層過濾輸入特征并在一個(gè)步驟中將它們組合成一組新的特征（圖 2，頂部）。

圖 2：與全卷積（上）不同，深度可分離卷積首先使用 D K xD K濾波器（中）分別過濾 M 個(gè)輸入通道中的每一個(gè)，并使用逐點(diǎn) 1 x 1 卷積來創(chuàng)建 N 個(gè)新特征。（圖片來源：谷歌）

新方法將過濾和特征生成分為兩個(gè)獨(dú)立的階段，統(tǒng)稱為深度可分離卷積。第一階段執(zhí)行深度卷積，該卷積在輸入的每個(gè)通道上充當(dāng)空間濾波器（圖 2，中間）。因?yàn)榈谝浑A段不創(chuàng)建新特征（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心目標(biāo)），所以第二階段執(zhí)行逐點(diǎn) 1 x 1 卷積（圖 2，底部），它結(jié)合第一階段的輸出以生成新特征。

這種 DS-CNN 架構(gòu)在用于移動(dòng)和嵌入式視覺應(yīng)用的 Google MobileNet 模型中使用，減少了參數(shù)和相關(guān)操作的數(shù)量，從而產(chǎn)生更小的模型，需要顯著更少的計(jì)算來獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。3

與全卷積相比，在 MobileNet 模型中使用深度可分離卷積在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ImageNet 數(shù)據(jù)集上僅降低了 1% 的準(zhǔn)確度，但使用了不到 12% 的乘加運(yùn)算和所需的模型參數(shù)數(shù)量的 14%用于傳統(tǒng) ImageNet CNN 模型中的全卷積。

盡管 DS-CNN 最初是為圖像識(shí)別而開發(fā)的，但這些相同的模型可以通過將音頻輸入流轉(zhuǎn)換為頻譜圖來提供一組可用的特征來提供音頻識(shí)別。實(shí)際上，音頻前端將音頻流轉(zhuǎn)換為 DS-CNN 可以分類的一組特征。對(duì)于語音處理，前端產(chǎn)生的特征通常采用梅爾頻率倒譜系數(shù)（MFCC）的形式，它更接近人類的聽覺特征，同時(shí)顯著降低了傳遞給 DS-CNN 分類器的特征集的維數(shù)。這正是 ARM ML-KWS-for-MCU開源軟件存儲(chǔ)庫中使用的方法。

DS-CNN 實(shí)現(xiàn)

ARM KWS 存儲(chǔ)庫旨在演示在 Arm Cortex ? -M 系列 MCU 上的 KWS 實(shí)施，在包括傳統(tǒng) CNN、DS-CNN 等在內(nèi)的多種架構(gòu)中提供了大量預(yù)訓(xùn)練的 TensorFlow 模型。使用谷歌速度命令數(shù)據(jù)集4訓(xùn)練，模型將音頻輸入分類為 12 個(gè)可能的類別之一：“是”、“否”、“上”、“下”、“左”、“右”、“開”、“ Off”、“Stop”、“Go”、“silence”（不說話）和“unknown”（代表 Google 數(shù)據(jù)集中包含的其他詞）。

開發(fā)人員可以立即使用這些預(yù)訓(xùn)練模型來比較這些替代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的推理性能并檢查它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，在 ARM 的預(yù)訓(xùn)練 DS-CNN 模型上運(yùn)行 TensorFlow 的import_pb_to_tensorboard Python 實(shí)用程序后，開發(fā)人員可以使用 TensorBoard 可視化模型的基于 MobileNet 的架構(gòu)。

圖 3：在 TensorBoard 中顯示的 Arm 預(yù)訓(xùn)練 KWS 模型將熟悉的 MobileNet DS-CNN 模型（左紅色輪廓）與使用梅爾頻率倒譜系數(shù) (MFCC) 的頻域特征提取階段（右擴(kuò)展）相結(jié)合. （圖片來源：Digi-Key Electronics）

正如在 TensorBoard 中所展示的那樣，MobileNet 架構(gòu)用深度可分離卷積替換了傳統(tǒng) CNN 架構(gòu)中除第一個(gè)完整卷積層之外的所有卷積層。

如前所述，這些階段中的每一個(gè)都包括深度卷積和點(diǎn)卷積階段，每個(gè)階段都輸入一個(gè) batchnorm 內(nèi)核以對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行歸一化（圖 3，左）。DS-CNN 模型使用一個(gè)特殊的 TensorFlow 融合 batchnorm 函數(shù)，它將多個(gè)選項(xiàng)組合到一個(gè)內(nèi)核中。

此外，通過放大音頻輸入特征提取階段（圖 3，右），開發(fā)人員可以檢查音頻處理序列，包括音頻解碼、頻譜圖生成和 MFCC 濾波。MFCC 生成的特征通過一對(duì)重塑階段來創(chuàng)建 MobileNet 分類器所需的張量形狀。

可以想象，開發(fā)人員可以在基于 MCU 的系統(tǒng)（包括Raspberry Pi ）上運(yùn)行來自 TensorFlow 或其他機(jī)器學(xué)習(xí)框架的訓(xùn)練模型。5使用這種方法，開發(fā)人員可以量化經(jīng)過訓(xùn)練的模型，以生成能夠在這些系統(tǒng)上運(yùn)行的較小版本。但是，如果沒有圖形處理單元 (GPU) 或其他硬件支持 GEMM 加速，推理延遲可能會(huì)令用戶對(duì)語音激活性能的預(yù)期失望。

ARM 通過其對(duì) ARM Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn) (CMSIS) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN) 擴(kuò)展提供了一種替代方法。CMSIS-NN 提供一整套 CNN 功能，充分利用 ARM Cortex-M7 處理器（例如STMicroelectronics 的 STM32F7 MCU 系列中的那些）中內(nèi)置的 DSP 擴(kuò)展。除了傳統(tǒng)的 CNN 函數(shù)外，CMSIS-NN 應(yīng)用程序編程接口 (API) 還支持深度可分離卷積，其中一對(duì)函數(shù)對(duì)應(yīng)于 DS-CNN 架構(gòu)下的深度和逐點(diǎn) 1 x 1 卷積階段：

ARM_status ARM_depthwise_separable_conv_HWC_q7_nonsquare

ARM_status ARM_convolve_1x1_HWC_q7_fast_nonsquare

該 API 還在專門為方形輸入張量設(shè)計(jì)的版本中提供了這兩個(gè)函數(shù)。

ARM 在示例代碼中使用這些函數(shù)，該示例代碼演示了一個(gè)完整的基于 DS-CNN 的 KWS 應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序在 STMicroelectronics STM32F746G-DISCO開發(fā)板上運(yùn)行，該開發(fā)板圍繞STM32F746NGH6 MCU 構(gòu)建。在示例代碼的核心，原生 CMSIS-NN C++ 模塊實(shí)現(xiàn)了 CS-DNN（清單 1）。

　　void DS_CNN：：run_nn（q7_t* in_data， q7_t* out_data）

　　{

　　//CONV1 ： regular convolution

　　ARM_convolve_HWC_q7_basic_nonsquare（in_data， CONV1_IN_X， CONV1_IN_Y， 1， conv1_wt， CONV1_OUT_CH， CONV1_KX， CONV1_KY， CONV1_PX， CONV1_PY， CONV1_SX， CONV1_SY， conv1_bias， CONV1_BIAS_LSHIFT， CONV1_OUT_RSHIFT， buffer1， CONV1_OUT_X， CONV1_OUT_Y， （q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer1，CONV1_OUT_X*CONV1_OUT_Y*CONV1_OUT_CH）;

　　// conv2：ds + pw conv // depthwise可分開的cons（批次范圍折疊為conv wts/bias） arm_depthwise_separible_conv_hwc_hwc_hwc_hwc_q7_nonsquare（buffer1，conv2_in_in_x，conv2_in_y，conv2_in_y，

　　conv1_out_conve_c__cond_ss_s_ds_s_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_ds_d， conv2_ds_bias，CONV2_DS_BIAS_LSHIFT，CONV2_DS_OUT_RSHIFT，buffer2，CONV2_OUT_X，CONV2_OUT_Y，（q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer2，CONV2_OUT_X*CONV2_OUT_Y*CONV2_OUT_CH）; // 逐點(diǎn)卷積 ARM_convolve_1x1_HWC_q7_fast_nonsquare（buffer2， CONV2_OUT_X， CONV2_OUT_Y， CONV1_OUT_CH， conv2_pw_wt， CONV2_OUT_CH， 1， 1， 0， 0， 1， 1， conv2_pw_bias， CONV2_PW_BIAS_LSHIFT，

　　CONV2_PW_OUT_RSHIFT， buffer1， CONV2_OUT_X， CONV2_bufferY， （NULL）， CONV2_buff_Y， （NULL）_ ARM_relu_q7（buffer1，CONV2_OUT_X*CONV2_OUT_Y*CONV2_OUT_CH）;

　　//CONV3 ： DS + PW conv

　　//Depthwise separable conv （batch norm params folded into conv wts/bias）

　　ARM_depthwise_separable_conv_HWC_q7_nonsquare（buffer1，CONV3_IN_X，CONV3_IN_Y，CONV2_OUT_CH，conv3_ds_wt，CONV2_OUT_CH，CONV3_DS_KX，CONV3_DS_KY，CONV3_DS_PX，CONV3_DS_PY，CONV3_DS_SX，CONV3_DS_SY，conv3_ds_bias，CONV3_DS_BIAS_LSHIFT，CONV3_DS_OUT_RSHIFT，buffer2，CONV3_OUT_X，CONV3_OUT_Y，（q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer2，CONV3_OUT_X*CONV3_OUT_Y*CONV3_OUT_CH）;

　　//Pointwise conv

　　ARM_convolve_1x1_HWC_q7_fast_nonsquare（buffer2， CONV3_OUT_X， CONV3_OUT_Y， CONV2_OUT_CH， conv3_pw_wt， CONV3_OUT_CH， 1， 1， 0， 0， 1， 1， conv3_pw_bias， CONV3_PW_BIAS_LSHIFT， CONV3_PW_OUT_RSHIFT， buffer1， CONV3_OUT_X， CONV3_OUT_Y， （q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer1，CONV3_OUT_X*CONV3_OUT_Y*CONV3_OUT_CH）;

　　//CONV4 ： DS + PW conv

　　//Depthwise separable conv （batch norm params folded into conv wts/bias）

　　ARM_depthwise_separable_conv_HWC_q7_nonsquare（buffer1，CONV4_IN_X，CONV4_IN_Y，CONV3_OUT_CH，conv4_ds_wt，CONV3_OUT_CH，CONV4_DS_KX，CONV4_DS_KY，CONV4_DS_PX，CONV4_DS_PY，CONV4_DS_SX，CONV4_DS_SY，conv4_ds_bias，CONV4_DS_BIAS_LSHIFT，CONV4_DS_OUT_RSHIFT，buffer2，CONV4_OUT_X，CONV4_OUT_Y，（q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer2，CONV4_OUT_X*CONV4_OUT_Y*CONV4_OUT_CH）;

　　//Pointwise conv

　　ARM_convolve_1x1_HWC_q7_fast_nonsquare（buffer2， CONV4_OUT_X， CONV4_OUT_Y， CONV3_OUT_CH， conv4_pw_wt， CONV4_OUT_CH， 1， 1， 0， 0， 1， 1， conv4_pw_bias， CONV4_PW_BIAS_LSHIFT， CONV4_PW_OUT_RSHIFT， buffer1， CONV4_OUT_X， CONV4_OUT_Y， （q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer1，CONV4_OUT_X*CONV4_OUT_Y*CONV4_OUT_CH）;

　　//CONV5 ： DS + PW conv

　　//Depthwise separable conv （batch norm params folded into conv wts/bias）

　　ARM_depthwise_separable_conv_HWC_q7_nonsquare（buffer1，CONV5_IN_X，CONV5_IN_Y，CONV4_OUT_CH，conv5_ds_wt，CONV4_OUT_CH，CONV5_DS_KX，CONV5_DS_KY，CONV5_DS_PX，CONV5_DS_PY，CONV5_DS_SX，CONV5_DS_SY，conv5_ds_bias，CONV5_DS_BIAS_LSHIFT，CONV5_DS_OUT_RSHIFT，buffer2，CONV5_OUT_X，CONV5_OUT_Y，（q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer2，CONV5_OUT_X*CONV5_OUT_Y*CONV5_OUT_CH）;

　　//Pointwise conv

　　ARM_convolve_1x1_HWC_q7_fast_nonsquare（buffer2， CONV5_OUT_X， CONV5_OUT_Y， CONV4_OUT_CH， conv5_pw_wt， CONV5_OUT_CH， 1， 1， 0， 0， 1， 1， conv5_pw_bias， CONV5_PW_BIAS_LSHIFT， CONV5_PW_OUT_RSHIFT， buffer1， CONV5_OUT_X， CONV5_OUT_Y， （q15_t*）col_buffer， NULL）;

　　ARM_relu_q7（buffer1，CONV5_OUT_X*CONV5_OUT_Y*CONV5_OUT_CH）;

　　//Average pool

　　ARM_avepool_q7_HWC_nonsquare （buffer1，CONV5_OUT_X，CONV5_OUT_Y，CONV5_OUT_CH，CONV5_OUT_X，CONV5_OUT_Y，0，0，1，1，1，1，NULL，buffer2， 2）;

　　ARM_fully_connected_q7（buffer2， final_fc_wt， CONV5_OUT_CH， OUT_DIM， FINAL_FC_BIAS_LSHIFT， FINAL_FC_OUT_RSHIFT， final_fc_bias， out_data， （q15_t*）col_buffer）;

　　}

清單 1：ARM ML-KWS-for-MCU 軟件存儲(chǔ)庫包含一個(gè) C++ DS-CNN 模型，其中一個(gè)完整的卷積層后跟幾個(gè)深度可分離卷積（框），每個(gè)都使用深度卷積和 1 x 1 卷積函數(shù)（黃色突出顯示）在硬件優(yōu)化的 ARM CMSIS-NN 軟件庫中支持。（代碼來源：ARM）

盡管 C++ DS-CNN 實(shí)現(xiàn)與前面展示的 TensorBoard DS-CNN 模型略有不同，但總體方法保持不變。在初始全卷積核之后，一系列深度可分離卷積核輸入最終池化層和全連接層，以生成每個(gè)輸出通道的預(yù)測(cè)值（對(duì)應(yīng)于用于訓(xùn)練模型的 12 個(gè)類標(biāo)簽）。

KWS 應(yīng)用程序?qū)⒋四Ｐ团c代碼相結(jié)合，以提供對(duì) STM32F746G-DISCO 開發(fā)板收集的實(shí)時(shí)音頻流的推斷。在這里，主函數(shù)初始化推理引擎，啟用音頻采樣，然后進(jìn)入由單個(gè)等待中斷 (WFI) 調(diào)用組成的無限循環(huán)（清單 2）。

　　char output_class［12］［8］ = {“Silence”， “Unknown”，“yes”，“no”，“up”，“down”，

　　“l(fā)eft”，“right”，“on”，“off”，“stop”，“go”};

　　int main（）

　　{

　　pc.baud（9600）;

　　kws = new KWS_F746NG（recording_win，averaging_window_len）;

　　init_plot（）;

　　kws-》start_kws（）;

　　T.start（）;

　　while （1） {

　　/* A dummy loop to wait for the interrupts. Feature extraction and

　　neural network inference are done in the interrupt service routine. */

　　__WFI（）;

　　}

　　}

　　/*

　　* The audio recording works with two ping-pong buffers.

　　* The data for each window will be tranfered by the DMA， which sends

　　* sends an interrupt after the transfer is completed.

　　*/

　　// Manages the DMA Transfer complete interrupt.

　　void BSP_AUDIO_IN_TransferComplete_CallBack（void）

　　{

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）kws-》audio_buffer_in + kws-》audio_block_size*4， （q7_t *）kws-》audio_buffer_out + kws-》audio_block_size*4， kws-》audio_block_size*4）;

　　if（kws-》frame_len ！= kws-》frame_shift） {

　　//copy the last （frame_len - frame_shift） audio data to the start

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）（kws-》audio_buffer）+2*（kws-》audio_buffer_size-（kws-》frame_len-kws-》frame_shift））， （q7_t *）kws-》audio_buffer， 2*（kws-》frame_len-kws-》frame_shift））;

　　}

　　// copy the new recording data

　　for （int i=0;i《kws-》audio_block_size;i++） {

　　kws-》audio_buffer［kws-》frame_len-kws-》frame_shift+i］ = kws-》audio_buffer_in［2*kws-》audio_block_size+i*2］;

　　}

　　run_kws（）;

　　return;

　　}

　　// Manages the DMA Half Transfer complete interrupt.

　　void BSP_AUDIO_IN_HalfTransfer_CallBack（void）

　　{

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）kws-》audio_buffer_in， （q7_t *）kws-》audio_buffer_out， kws-》audio_block_size*4）;

　　if（kws-》frame_len！=kws-》frame_shift） {

　　//copy the last （frame_len - frame_shift） audio data to the start

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）（kws-》audio_buffer）+2*（kws-》audio_buffer_size-（kws-》frame_len-kws-》frame_shift））， （q7_t *）kws-》audio_buffer， 2*（kws-》frame_len-kws-》frame_shift））;

　　}

　　// copy the new recording data

　　for （int i=0;i《kws-》audio_block_size;i++） {

　　kws-》audio_buffer［kws-》frame_len-kws-》frame_shift+i］ = kws-》audio_buffer_in［i*2］;

　　}

　　run_kws（）;

　　return;

　　}

　　void run_kws（）

　　{

　　kws-》extract_features（）; //extract mfcc features

　　kws-》classify（）; //classify using dnn

　　kws-》average_predictions（）;

　　plot_mfcc（）;

　　plot_waveform（）;

　　int max_ind = kws-》get_top_class（kws-》averaged_output）;

　　if（kws-》averaged_output［max_ind］》detection_threshold*128/100）

　　sprintf（lcd_output_string，“%d%% %s”，（（int）kws-》averaged_output［max_ind］*100/128），output_class［max_ind］）;

　　lcd.ClearStringLine（8）;

　　lcd.DisplayStringAt（0， LINE（8）， （uint8_t *） lcd_output_string， CENTER_MODE）;

　　}

清單 2：在 ARM ML-KWS-for-MCU 軟件存儲(chǔ)庫中，DS-CNN KWS 應(yīng)用程序的主例程（通過KWS_F746NG）實(shí)例化推理引擎，激活 STM32F746G-DISCO 開發(fā)板的音頻子系統(tǒng)，并進(jìn)入無限循環(huán)，等待中斷調(diào)用執(zhí)行推理的完成例程 ( run_kws())。（代碼來源：ARM）

包含在此main例程中的回調(diào)函數(shù)提供完成例程，這些例程緩沖記錄的數(shù)據(jù)并通過調(diào)用run_kws(). 該run_kws函數(shù)調(diào)用對(duì)推理引擎實(shí)例的調(diào)用以提取特征、對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類并提供預(yù)測(cè)，以指示記錄的音頻樣本屬于如前所述的原始訓(xùn)練中使用的 12 個(gè)類之一的概率。

推理引擎本身是通過一系列調(diào)用實(shí)例化的，從main實(shí)例化KWS_F746NG類的調(diào)用開始，該類本身是類的子KWS_DS_NN類。后一個(gè)類使用父類封裝了前面顯示的 C++ DS-CNN 模型，該類KWS實(shí)現(xiàn)了特定的推理引擎方法：extract_features()、classify()等（清單 3）。

　　#include “kws.h”

　　KWS：：KWS（）

　　{

　　}

　　KWS：：~KWS（）

　　{

　　delete mfcc;

　　delete mfcc_buffer;

　　delete output;

　　delete predictions;

　　delete averaged_output;

　　}

　　void KWS：：init_kws（）

　　{

　　num_mfcc_features = nn-》get_num_mfcc_features（）;

　　num_frames = nn-》get_num_frames（）;

　　frame_len = nn-》get_frame_len（）;

　　frame_shift = nn-》get_frame_shift（）;

　　int mfcc_dec_bits = nn-》get_in_dec_bits（）;

　　num_out_classes = nn-》get_num_out_classes（）;

　　mfcc = new MFCC（num_mfcc_features， frame_len， mfcc_dec_bits）;

　　mfcc_buffer = new q7_t［num_frames*num_mfcc_features］;

　　output = new q7_t［num_out_classes］;

　　averaged_output = new q7_t［num_out_classes］;

　　predictions = new q7_t［sliding_window_len*num_out_classes］;

　　audio_block_size = recording_win*frame_shift;

　　audio_buffer_size = audio_block_size + frame_len - frame_shift;

　　}

　　void KWS：：extract_features（）

　　{

　　if（num_frames》recording_win） {

　　//move old features left

　　memmove（mfcc_buffer，mfcc_buffer+（recording_win*num_mfcc_features），（num_frames-recording_win）*num_mfcc_features）;

　　}

　　//compute features only for the newly recorded audio

　　int32_t mfcc_buffer_head = （num_frames-recording_win）*num_mfcc_features;

　　for （uint16_t f = 0; f 《 recording_win; f++） {

　　mfcc-》mfcc_compute（audio_buffer+（f*frame_shift），&mfcc_buffer［mfcc_buffer_head］）;

　　mfcc_buffer_head += num_mfcc_features;

　　}

　　}

　　void KWS：：classify（）

　　{

　　nn-》run_nn（mfcc_buffer， output）;

　　// Softmax

　　ARM_softmax_q7（output，num_out_classes，output）;

　　}

　　int KWS：：get_top_class（q7_t* prediction）

　　{

　　int max_ind=0;

　　int max_val=-128;

　　for（int i=0;i《num_out_classes;i++） {

　　if（max_val《prediction［i］） {

　　max_val = prediction［i］;

　　max_ind = i;

　　}

　　}

　　return max_ind;

　　}

　　void KWS：：average_predictions（）

　　{

　　//shift right old predictions

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）predictions， （q7_t *）（predictions+num_out_classes）， （sliding_window_len-1）*num_out_classes）;

　　//add new predictions

　　ARM_copy_q7（（q7_t *）output， （q7_t *）predictions， num_out_classes）;

　　//compute averages

　　int sum;

　　for（int j=0;j《num_out_classes;j++） {

　　sum=0;

　　for（int i=0;i《sliding_window_len;i++）

　　sum += predictions［i*num_out_classes+j］;

　　averaged_output［j］ = （q7_t）（sum/sliding_window_len）;

　　}

　　}

清單 3：在 ARM DS-CNN KWS 應(yīng)用程序中，KWS 模塊在基本 DS-CNN 類上添加了執(zhí)行推理操作所需的方法，包括特征提取、分類和生成由平均窗口平滑的結(jié)果。（代碼來源：ARM）

所有這些軟件復(fù)雜性都隱藏在一個(gè)簡(jiǎn)單的使用模型后面，其中主程序通過實(shí)例化推理引擎來啟動(dòng)該過程，并在音頻輸入可用時(shí)使用其完成程序執(zhí)行推理。據(jù) ARM 稱，在 STM32F746G-DISCO 開發(fā)板上運(yùn)行的這個(gè)示例 CMSIS-NN 實(shí)現(xiàn)只需要大約 12 毫秒 (ms) 即可完成一個(gè)推理周期，其中包括音頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)復(fù)制、特征提取和 DS-CNN 模型執(zhí)行。同樣重要的是，完整的 KWS 應(yīng)用程序只需要大約 70 KB 的內(nèi)存。

結(jié)論

隨著 KWS 功能作為一項(xiàng)要求變得越來越重要，資源有限的可穿戴設(shè)備和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的開發(fā)人員需要占用空間小的推理引擎。ARM CMSIS-NN 旨在利用 ARM Cortex-M7 MCU 中的 DSP 功能，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如 DS-CNN）奠定了基礎(chǔ)，能夠滿足這些要求。

在基于 ARM Cortex-M7 MCU 的開發(fā)系統(tǒng)上運(yùn)行的 KWS 推理引擎可以在資源有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備輕松支持的內(nèi)存占用中實(shí)現(xiàn)接近 10 次推理/秒的性能。