嵌入式AI从入门到放肆【K210篇】-- 硬件与环境

前言

关注我的同学都知道，在搞项目方面我一点也不挑食，有啥玩啥，擅于给自己找麻烦。

由于个人本职工作是搞AI的，在不久之前的一个项目中，我用STM32制作了一个小模块，探讨了一下“推理一个实用神经网络最低需要什么样的算力”这个问题。

在那个项目中，我成功在主频只有不到100MHz，sram只有32K的单片机上推理了一个自己训练的CNN-SLR网络模型，效果甚至还不错。

而这一次我准备来一波反向操作：尽可能用上算力最强的MCU，来看看在上面能跑多复杂的网络，因垂丝汀。

注意，我这里指明了使用的是MCU，所以移动设备上的各种SoC就不在讨论范畴了，要说原因的话，是因为移动端SoC之间的battle过于激烈，这个讨论留作后话，在这一篇里面就暂时按下不表了；另一方面由于二者不在一个价位段，没有可比性。

为了引出本篇要使用的MCU型号，首先我们来讨论一下嵌入式处理器的一个守恒定律，也即 功耗-价格-性能 不可兼得，如下图：

稍微解释一下上图的话就是，由于物理定律限制我们可以认为：在其他条件一定的情况下，性能和功耗肯定成正比，更强的性能意味着更大的功耗也就会产生更多的热量；而要想提升性能的同时还能保证功耗不变甚至更低的话，就只能改进芯片的架构或者改进制程工艺，这又会带来成本的提高。因而根据不同应用方向，我们可以选择兼顾其中两者的一些硬件平台：

成本低，性能弱，功耗也低：代表是各种单片机如STM32/AVR等。

成本低，性能强，但制程不高易发热：代表是各种低端SoC比如全志的H系列。

性能强，制程先进，但价格十分不友好，有钱还不一定给卖系列：代表是现在智能手机上使用的各种旗舰SoC，比如高通骁龙/海思麒麟/苹果A系。

那难道真的就没有三者兼得的芯片平台了吗？

其实还真有，本篇的主角K210就勉强算是一个，这也是我这次选择折腾这个项目的主要原因，接下来请听我仔细分析~

K210是个啥

K210是由一家叫做嘉楠的曾经做挖矿芯片的公司在去年推出的一款MCU，其特色在于芯片架构中包含了一个自研的神经网络硬件加速器KPU，可以高性能地进行卷积神经网络运算。

可不要以为MCU的性能就一定比不上高端SoC，至少在AI计算方面，K210的算力其实是相当可观的。根据嘉楠官方的描述，K210的KPU算力有0.8TOPS ，作为对比，拥有128个CUDA单元GPU的英伟达Jetson Nano的算力是0.47TFLOPS ；而最新的树莓派4只有不到0.1TFLOPS 。

当然了，这个性能跟某些旗舰级别的SoC还是有差距的：A76级别的CPU本身就已经很变态，更何况旗舰SoC上面都会搭载用于AI加速的硬件用于异构运算，比如高通的Hexagon DSP、苹果的Neural Engine、华为的达芬奇架构NPU等等，这些NPU在某些应用下甚至能达到与数百W功耗的桌面级GPU接近的算力（顺便提一下GTX1080Ti的双精度浮点算力是11.3 TFLOPS ），可以说是丧心病狂了。

值得注意的是，芯片的算力不一定和模型推理速度成正比，嵌入式AI的另一个核心是inference框架。对于CPU架构来说，是否使用SIMD（ARM从v7开始就支持NEON指令了）、是否使用多核多线程、是否有高效的卷积实现方式、是否有做汇编优化等等都会极大影响模型运行速度；而对DSP/NPU等硬件架构来说，是否对模型进行量化推理、量化的方式、访存的优化等也会有很大影响。

K210的其他参数如下：

双核 64-bit RISC-V RV64IMAFDC （RV64GC） CPU / 400MHz（可超频到600MHz）

双精度 FPU

8MiB 64bit 片上 SRAM（6MiB通用SRAM+2MiB的AI专用SRAM）

神经网络处理器（KPU） / 0.8TFLOPS

音频处理器（APU）

可编程 IO 阵列 （FPIOA）

双硬件512点16位复数FFT

SPI， I2C， UART， I2S， RTC， PWM， 定时器支持

AES， SHA256 加速器

直接内存存取控制器 （DMAC）

芯片采用BGA144封装，28nm制程工艺，芯片功耗低至0.35W，而成本，只要20+RMB。

想一下一块Arduino的板子要多少钱。..。..Arduino的性能和外设在K210面前就是个弟中弟（摊手）。

那么K210又能做哪些事情呢？

多到让你怀疑它是否真的只是个单片机。..。..人脸检测、物体识别、播放视频、声场成像、3D渲染，甚至还能在上面跑FC模拟器玩游戏。..。..

可以去搜一下k210的一些应用视频演示，相信看完你会爱了的。

好了芯片就吹到这里，下面介绍一下市面上已有的一些K210开发板。

如何选择开发板

如果看完上面的介绍对K210产生了兴趣，那么下面我会推荐几款值得入手的K210开发板（如果不小心打了广告麻烦结一下广告费：D）。

其实我早在去年很早的时候就收到过K210的开发板了，当时是别人送的评测套件，只不过我那时不巧刚毕业，没有太多时间折腾，就一直拖到最近才有空仔细研究。另一方面的原因是，当时K210刚出，软件生态还非常的不成熟，而这个情况现在就好多了，不光有官方的IDE（还是develop版本），甚至还有MicroPython这样的固件的移植，可玩性高了很多，值得折腾一番。

我个人是打算后面自己设计一块K210开发板的，用于满足我个人的各种变态要求（主要是要狗迷你）。不过对于普通玩家而言，BGA的芯片可能不太适合自己DIY，所以可以按我下面的推荐进行购买即可，其中很多都是我亲自买过试用的。

1. 官方开发板套件-KD233

这个是嘉楠官方的评估板套件，好处呢在于可以和官方IDE中的例程项目无缝对接（当然如果不打算用官方IDE就无所谓了，这个后面软件篇会介绍），IDE中下载的例程都可以直接烧录运行。同时板子上的资源还是挺多的，摄像头、麦克风、LCD屏幕之类的都有，而且可以看到芯片周围有一圈跳线帽，把所有的IO都引出来了，也可以自己取掉跳线帽用杜邦线连接其他硬件。

缺点也很明显，这板子实在是太爱爱爱大了。..。.反正我是看不顺眼，虽然买了但是只是用来验证官方给的原理图是否无误，调试的时候还是用其他的板子。

价格偏贵，对于想自己设计硬件的同学可以购买，其他的就不推荐了。

2. Widora-AIRV2/BITK210开发板套件

与第一个板子完全相反，这个是目前市面上能买到的最小的k210开发板，而且价格非常实惠。

这个开发板采用了核心板和底板分离的设计方式，适合那些想自己做硬件但是又无法设计核心电路的同学。核心板使用的封装是NGFF（Mini-PCIE）接口，把芯片最小系统和电源IC集成在了核心板，剩下的功能全部由金手指引出至底板。

可以看到核心板背面在K210的正下方布置有很多滤波电容，因为在这么高的运行主频下对电源的稳定性由很高要求，基本就是按照ARM CPU的Layout方式来设计PCB的。

板子也有带摄像头和LCD，但是默认摄像头的型号和官方开发板有点区别，官方的是OV5640，而这个带的是OV2640。当然了，这两个摄像头是完全pin-to-pin的，可以自己更换，修改一下软件驱动就行。屏幕也换成了2.4寸的小一点的ST7789驱动LCD，我个人还是觉得这屏幕太大（傲娇）。

还有一个缺点就是，这个板子的配套软件资源很少（可以说没有），当然了只要是K210的板子其实各家的软件都是可以用的，只不过由于硬件上的细微差别，需要自己修改一点源码（比如GPIO编号之类的）。

总的来说非常推荐，性价比也非常的高，适合在玩熟了之后用作以后项目的主力产品。

3. Sipeed Maixduino 开发板

Sipeed就是之前做荔枝派的那家公司了，他们团队也推出了一系列的K210开发板，足以满足各种需求，Sipeed Maixduino就是其中一款。

看这个开发板的名字里面还带个duino，该不会支持Arduino编程吧？？

是的，惊不惊喜意不意外。

目前基础库的功能都已经实现了，感兴趣的同学可以去安装一下IDE先体验一下。

Maixduino显然是冲着兼容Arduino接口设计的，板子是标准的UNO型，相比与上面的两个开发板多了一个ESP32模块（话说ESP32也是一个网红硬件），官方开发板有的功能它都有，体型还挺小巧。

值得一提的是这个板子上面搭载的邮票孔核心板是可以单独购买的，叫做M1 Module，下面会进行介绍。

4. Sipeed M1 开发板套件

这个板子使用的就是上面的那个M1 Module，采用核心板加底板的方式，比上面的要小巧很多，同时所有IO都有引出，可以看作一个最小系统洞洞板，我个人比较喜欢这种设计，相比于Widora的板子黑色沉金也更好看一些。

板子不算太贵，Sipeed 系列的K210板子最大的优势是，软件资源做得非常好，官网WiKi、教程、源码的开放都很到位，考虑到硬件和软件双方面的条件，Sipeed 的开发板是我最建议大家购买的。

他家还有其他型号的K210开发板，我就不一一介绍了，大家感兴趣的可以自己去某宝搜。

编程环境

K210是支持好几种编程环境的，从最基本的cmake命令行开发环境，到IDE开发环境，到Python脚本式开发环境都支持，下面会进行分别介绍。

这几种开发方式没有优劣之分，有的人喜欢用命令行+vim，有的人喜欢IDE图形界面，也有的人根本不关心编译环境觉得人生苦短只想写Python。

一般来说越基础的开发方式比如C语言+官方库会自由度越大，能充分发挥出芯片的各种外设功能，但是开发难度比较高，过程很繁琐；越顶层的开发方式比如写脚本，虽然十分地便捷，甚至连下载程序的过程都不需要了，但是程序功能的实现极度依赖于MicroPython的API更新，且很多高级系统功能无法使用。

1. 命令行开发环境

首先说一下，K210的官方SDK支持两种开发模式：FreeRTOS和Standalone（裸机）。

具体选择哪种模式取决于个人喜好，如果你之前用过FreeRTOS的话，应该可以很快熟悉SDK的相关接口。我个人对于单片机是更愿意使用裸机开发模式，因为如果要跑OS的话，我会倾向于使用能跑完整Linux系统的开发板，比如这个我自己做的Linux-Card。

用命令行开发的话建议在Linux环境下（Windows下用命令行总感觉怪怪的），下面介绍环境搭建方式。

1.1 下载SDK

在官网的资源下载页面下载相应的SDK：

https://kendryte.com/downloads/kendryte.com

1.2 安装工具链

安装 build-essential 以获取 make 工具

$ sudo apt install build-essential

安装cmake

$ sudo apt install cmake

从勘智官网下载Ubuntu版本工具链，放到/opt目录并解压缩。

$ sudo mv kendryte-toolchain-ubuntu-amd64-8.2.0.tar.gz /opt$ cd /opt$ sudo tar -zxvf kendryte-toolchain-ubuntu-amd64-8.2.0.tar.gz

打开~/.bashrc文件，在文件末尾添加如下一行，将 /opt/kendryte-toolchain/bin 目录添加到PATH环境变量

export PATH=$PATH:/opt/kendryte-toolchain/bin

使修改生效

$ source ~/.bashrc

1.3 编译 hello world 工程

从Kendryte Github下载kendryte-standalone-sdk

$ git clone [e-mail]:kendryte/kendryte-standalone-sdk.git

hello world工程在kendryte-standalone-sdk/src/hello_world目录下。

创建一个build目录并进入：

$ mkdir build && cd build

运行cmake

$ cmake 。. -DPROJ=hello_world -DTOOLCHAIN=/opt/kendryte-toolchain/bin

编译

$ make

会在build目录下生成.bin文件，接下来把这个文件烧录进芯片就ok了。

1.4 烧录固件

K210使用的是串口ISP进行下载程序（也支持J-Link调试不过个人感觉不太必要，这里就不介绍了）。

IO_16 用于boot 模式选择，上电复位时，拉高进入FLASH 启动，拉低进入ISP 模式。复位后，IO_0、IO_1、IO_2、IO_3 为JTAG 引脚，IO_4、IO_5 为ISP也就是UART0引脚。

上面介绍的K210的开发板都会板载USB-TTL串口的芯片，所以板子直接连上电脑，选择好串口号，就可以下载程序了，跟Arduino一样的体验。只不过下载过程需要用到一个下载工具，叫做K-Flash。

K-Flash的软件同样可以在上面的官网地址进行下载，软件操作界面很简单，选择bin文件、板子型号、串口号，点击下载就可以了。

1.5 打包Kfpkg固件

K210 的固件包主要有两种格式： .bin 和 .kfpkg。

.kfpkg可以包含多个.bin文件或者模型文件，可以方便地把程序固件和网络模型文件打包到一起一次性烧录，烧录方式是和bin文件一样的，用K-Flash即可。这里介绍如何制作kfpkg文件以及使用：

创建自己的 .kfpkg 文件

.bin文件是固件内容，作为参数传给烧录软件，软件会默认烧录到flash的0地址，完成后重启即可运行。

但是有时候我们需要烧录其它二进制文件到flash，比如模型、文件系统、或者自己定义的其它数据，这时需要指定烧录的地址，光有 .bin文件烧录工具并不知道我们想把数据烧录到flash的哪里，打包一个.kfpkg格式的文件则是为了解决这个问题的。

kfpkg由3部分组成：

flash-list.json文本文件：用于储存.bin文件列表以及烧录地址等信息

.bin固件

其他文件（二进制文件）

比如我们想同时下载名为XXX.bin的固件，以及YYY.bin的其它文件到Flash的0xA00000地址，则需要写一个 flash-list.json 文件，内容如下：

注意sha256Prefix选项， 固件需要校验，所以为true， 而其它数据（比如模型数据）不需要，所以为false。

最后，将这三个文件（XXX.bin， YYY.bin， flash-list.json）压缩成zip文件，然后改后缀名为.kfpkg 即可被烧录工具识别，并按照指定地址烧录到flash。

2. IDE开发环境

对于想在Windows下开发的同学，可以使用官方提供的IDE，这也是我最常用的开放方式。

官方的IDE是基于Visual Studio Code开发的，非常好用，最主要是要有代码自动补全：D。

2.1 下载IDE

在这个地址下载：

Kendryte IDE Downloadskendryte-ide.s3-website.cn-northwest-1.amazonaws.com.cn

下载完启动会自动联网更新组件，按下面的顺序点击下载官方例程：

IDE的好处就是可以自动化执行很多依赖项操作，这样操作：

然后就可以编译下载了：

如果编译报错的话，首先确认已经点了安装所有依赖，另外记得先点一下编译左边的垃圾桶图标进行项目清理，再尝试编译。

IDE下面这一排按钮其实就是顶部菜单栏的Kendryte选项下的内容。

另外值得注意的是，如果使用IDE的Flash Manager下载文件，一定要记得勾选交换大小端，否则烧录进去的格式是有问题的，切记！

3. MicroPython开发环境

上面介绍的两种开发环境都是编写代码，然后编译下载，而这里介绍的这种方式只需要下载一次固件，然后就可以用串口的方式进行Python交互，或者也可以把脚本存在SD卡里然后开机运行。

这种脚本式的交互固件式基于一个叫MicroPython的开源项目做的。

MicroPython 是基于 Python3 的语法做的一款解析器，包含了 Python3 的大多数基础语法， 主要运行在性能和内存有限的嵌入式芯片上（最早开始火的是STM32上），注意 Micropython 不包含 Python3 的所有语法。

MaixPy是将Micropython移植到K210的一个项目， 支持 MCU 常规操作， 也集成了机器视觉和麦克风阵列等模块， 以快速开发智能应用。

MaixPy项目的开源地址：

sipeed/MaixPygithub.com

Micropython 可以让我们在 K210 上编程更加简单快捷，比如我们需要寻找I2C总线上的设备，只需要使用如下代码即可实现：

同样，实现一个呼吸灯，只需要如下代码：

实时拍照：

总之就是非常简单易用，感兴趣的同学可以移步官方WiKi和教程网站：

关于MaixPy · MaixPy 文档maixpy.sipeed.com

总结

本文从芯片架构，到开发板选型，再到软件开发环境的搭建介绍了关于K210的基础ABC，这块KPU其实有很多有意思的应用，我会在后面的文章中进行更多介绍，包括SDK中各个模块的使用方式，以及如何将自己的AI模型部署到K210上面去运行。