Android 深度学习基础 - 系统和硬件

作者: 斯啦丝拉 | 来源:发表于2019-12-03 11:59 被阅读0次

Android 深度学习基础 - 系统和硬件
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免责声明：这篇文章的所有内容都是我个人调研得到的，来源是网络的各种资料。难免出现各种错误，有的内容可能吸收了别人的工作成果。如果遇到问题，欢迎提出，我会及时更改。

API 和 ABI

这俩不是一个概念，API 是指 Application Program Interface，而 ABI 是指 Application Binary Interface。简单来说，API 和系统相关，ABI 和硬件相关。

API

打开一个 Android 项目，API 主要和 SDK Version 相关，项目主要有三个 SDK Version，SDK 版本号和 API 级别对应，也和系统版本对应。

名称	含义	推荐取值
compileSdkVersion	编译时用到的 SDK 版本	最新的 SDK
targetSdkVersion	测试机的系统版本	测试机的系统版本
minSdkVersion	前向兼容的系统版本	想兼容的版本

API Level 和 Android 系统的映射没有什么规律，有时映射大版本，有时映射小版本号。更多信息可以参考官方文档

Code name	Version	API level	Distribution%	AccuDist%
Android 10	10	API level 29
Pie	9	API level 28	10.4	100.0
Oreo	8.1.0	API level 27	15.4	89.6
Oreo	8.0.0	API level 26	12.9	74.2
Nougat	7.1	API level 25	7.8	61.3
Nougat	7.0	API level 24	11.4	53.5
Marshmallow	6.0	API level 23	16.9	42.1
Lollipop	5.1	API level 22	11.5	25.2
Lollipop	5.0	API level 21	3.0	13.7
KitKat	4.4 - 4.4.4	API level 19	6.9	10.7
Jelly Bean	4.3.x	API level 18	0.5	3.8
Jelly Bean	4.2.x	API level 17	1.5	3.3
Jelly Bean	4.1.x	API level 16	1.2	1.8
Ice Cream Sandwich	4.0.3 - 4.0.4	API level 15, NDK 8	0.3	0.6
Ice Cream Sandwich	4.0.1 - 4.0.2	API level 14, NDK 7	0.3	0.3
Honeycomb	3.2.x	API level 13
Honeycomb	3.1	API level 12, NDK 6
Honeycomb	3.0	API level 11
Gingerbread	2.3.3 - 2.3.7	API level 10
Gingerbread	2.3 - 2.3.2	API level 9, NDK 5
Froyo	2.2.x	API level 8, NDK 4
Eclair	2.1	API level 7, NDK 3
Eclair	2.0.1	API level 6
Eclair	2.0	API level 5
Donut	1.6	API level 4, NDK 2
Cupcake	1.5	API level 3, NDK 1
(no code name)	1.1	API level 2
(no code name)	1.0	API level 1

上表同时包含了各个 API Level 的占比，最后一列是版本从低到高的累积占比，可以看到，陈旧系统能够的占比还是挺多的，比如 Android 6 之前的系统不保证 Neon 存在（Neon 后边会介绍），而占比达到了 25.2%，如果我们的代码只做了 Neon 优化，那么在 25.2% 的机器上无法运行。因为要考虑陈旧系统，所以 Android 的深度学习变得复杂。

ABI

在 Android 项目中，会看到 eabi 的字眼，例如有的教程里会说将某某类库放在 armeabi 文件夹下。ABI 全称是 Application Binary Interface，EABI 是指嵌入式的 ABI：Embedded Application Binary Interface
Android 支持的 ABI 如下，更详细信息可以参考官网

	flags
~~armeabi~~		removed in NDK r17
~~mips~~		removed in NDK r17
~~mips64~~		removed in NDK r17
armeabi-v7a	`-march=armv7-a -mthumb (-mfloat-abi=softfp)`
~~armeabi-v7a-hard~~	https://android.googlesource.com/platform/ndk/+/ndk-r12-release/docs/HardFloatAbi.md	removed in NDK r12
arm64-v8a	`(-march=aarch64 -mfloat-abi=hard)`
x86	`(-march=i686 -mtune=intel -mssse3 -mfpmatch=sse -m32)`
x86_64	`(-march=x86-64 -msse4.2 -mpopcnt -m64 -mtune=intel)`

Android 已经放弃支持 armeabi，mips，mips64 了，简单来说，现在 Android 仅支持 ARM 和 x86 了，而 ARM 也仅仅支持 v7a 和 v8a。

ARM CPU

我们常说的高通 855，麒麟980 不是 CPU 是 SoC（System On Chip），SoC 除了 CPU 外，还有 GPU，还有可选的浮点数加速器，专用于深度模型的加速器，这些都和本文相关。除此以外，SoC 还包括运存，基带芯片等等，这些和深度学习关系不大。
ARM 和各个 SoC 的关系：所有 ARM 的 CPU 都是 ARM 公司授权的，授权的形式是 IP 核，各个商场得到授权，生产自己的 SoC。

ARM 架构

历史上，ARM 定义了 ARMv1，ARMv2，ARMv3，ARMv4，ARMv4T，ARMv5TE，ARMv6 这些架构，都已经过时了。
在定义 ARMv7 时，引入了 profile 的概念，将 ARMv7 划分为:

ARMv7-A： Application
ARMv7-R：Real-time
ARMv7-M：Microcontroller
ARMv6-M 是后来出现的产品，由 ARMv7-M 裁减得到。
在定义 ARMv8 时，沿用了三个 profile，只有 ARMv8-A 支持 64 位。ARMv8-A 迭代了多次，目前最新的是 ARMv8.6-A
每个架构下，有多个 IP 核，目前 IP 核都以 Cortex 命名，例如 Cortex-A5 是 ARMv7-A 的一个 IP 核。
Android 仅支持 ARMv7-A 和 ARMv8-A 两种架构，对应的 EABI 是 armeabi-v7a 和 arm64-v8a
常见的 ARM 架构和 IP核如下表

Architecture	bit-width	Cortex
ARMv7-A	32	A5, A7, A8, A9, A12, A15, A17
ARMv7-R	32	R4, R5, R7, R8
ARMv7-M	32	M3
ARMv7E-M	32	M4, M7
ARMv8-A	32	A32
ARMv8-A	64	A34
ARMv8-A	32/64	A35, A53, A57, A72, A73
ARMv8-R	32	R52
ARMv8-M	32	M23, M33
ARMv8.2-A	32/64	A55
ARMv8.2-A	32/64	A75
ARMv8.3-A	64	A76

高通公司的 SoC 对 ARM 的 IP 核做了二次包装，把 32位的 CPU 命名为 Krait 系列，把 64 位的 CPU 命名为 Kryo 系列。例如骁龙855 使用的 CPU 是 Kryo 485，实际是由 Cortex-A55 + Cortex-A76 实现的。

Snapdragon	CPU	GPU	DSP
800	Krait 400	Adreno 330	Hexagon QDSP6 V5
835	Kryo 280 (A73)	Adreno 540	Hexagon 682
845	Kryo 385 (A55+A75)	Adreno 630	Hexagon 685
855	Kryo 485 (A55+A76)	Adreno 640	Hexagon 690
855+	Kryo 485 (A55+A76)	Adreno 640	Hexagon 690

32位和64位

参考官网，未来的 app 都要支持 64bit，主要是 native code 要支持

自己开发的 native code 要支持
调用的第三方 native lib 也要支持
最终生成的 apk 里，同时有 32位和 64位的内容

Platform	32 bit	64 bit
ARM	lib/armeabi-v7a/	lib/arm64-v8a/
x86	lib/x86/	lib/x86_64/

如何设置 64位

在 gradle 中设置 build.gradle

android {
  compileSdkVersion 27
  defaultConfig {
    appId "com.google.example.64bit"
    minSdkVersion 15
    targetSdkVersion 28
    versionCode 1
    versionName "1.0"
    ndk.abiFilters 'armeabi-v7a','arm64-v8a','x86','x86_64'
    // ...

在 cmake 中设置

cmake -DANDROID_ABI=arm64-v8a ...
cmake -DANDROID_ABI=x86_64 ...

在 ndk-build 中设置 Application.mk

APP_ABI := armeabi-v7a arm64-v8a x86 x86_64

ARM 的浮点数运算

首先介绍 VFP（Vector Floating Point）和 Neon：两者都是浮点数运算器，在 ARMv7-A 中浮点数运算器是可选的（即有的手机没有）。VFP 和 Neon 实现细节不同， Neon 支持并行运算，速度更快。在 ARMv8-A 中，Neon 是必备的。此外，Android ABI 约束 armeabi-v7a 必须支持 vfp，Android 6 约束 ARMv-A 必须包含 Neon。所以 ARMv8-A 可以直接使用 Neon，ARMv7-A 需要判断使用
对于 ARMv7-A 来说，另一个需要关注的问题是浮点数运算的函数调用方式，google 在 NDKr12 中移除了 hard-float 的支持，浮点数会先转换为整数，放在整数寄存器里，然后计算，这里会损失性能。曾经有 armeabi-v7a-hard 这一 ABI 可以解决此问题，不过已经废弃了。

	FPU	Function call
~~armeabi-v7a-hard~~	yes	hard-float
armeabi-v7a	optional	soft-float
arm64-v8a	yes	hard-float

浮点数调用以及浮点数运算器总结如下，表格从上到下，运算速度递增。

Type	Flag	Register, FPU	Android	备注
soft	`-mfloat-abi=soft`	Integer		不使用 FPU
softfp	`-mfloat-abi=softfp`	Integer + VFP		默认使用 vfpv3-d16
softfp-vfp	`-mfloat-abi=softfp -mfpu=vfpv3-d16`	Integer + VFP	armv7a 默认	同 softfp
softfp-neon	`-mfloat-abi=softfp -mfpu=neon`	Integer + Neon	armv7a 有 neon 时
hard	`-mfloat-abi=hard`	Float + VFP	armv7-a 无法用	默认使用 vfpv3-d16
hard-neon	`-mfloat-abi=hard -mfpu=neon`	Float + Neon	armv8-a 默认

最简单的加速方法就是开启 Neon。
在 gradle 中开启，设置 build.gradle

android {
  defautConfig {
    externalNativeBuild {
      cmake {
        arguments "-DANDROID_ARM_NEON=ON"
      }
    }
  }
}

在 cmake 中开启

cmake -DANDROID_ARM_NEON=ON ...

或者编译 CMakeLists.txt

if(ANDROID_ABI STREQ ameabi-v7a)
  set_target_properties(${TARGET} PROPERTIES COMPILE_FLAGS -mfpu=neon)
endif()
# or
if(ANDROID_ABI STREQ armeabi-v7a)
  set_source_files_properties(foo.cpp PROPERTIES COMPILE_FLAGS -mfpu=neon)
endif()

在 ndk 中开启

LOCAL_ARM_NEON := true
# or add .neon
LOCLA_SRC_FILES := foo.c.neon bar.c

因为 ARMv7-A 的兼容性问题，不是所有的手机都支持 Neon，需要在运行时进行判断
java 版本的检测示例：

if (Library.isSupported(ArmCpuSimdFeature.NEON)) {
    if (Library.getMicroarchitecture().equals(CpuMicroarchitecture.Krait)) {
        /* Special NEON implementation for recent Qualcomm processors */
        nativeClass.processKrait(); // v7 neon
    } else {
        /* Generic NEON implementation */
        nativeClass.processNeon(); // v8 neon
    }
} else {
    /* Generic implementation without NEON */
    nativeClass.processGeneric(); // vfp
}

native 代码的检测示例

#include <cpu-features.h>

if (android_getCpuFamily() == ANDROID_CPU_FAMILY_ARM &&
   (android_getCpuFeatures() & ANDROID_CPU_ARM_FEATURE_NEON) != 0) {
  // use Neon-optimized routines
} else {
  // use non-Neon fallback routines instead
}

最后需要说明的是，ARMv8-A 的 Neon 兼容 ARMv7-A 的（写一套代码是可行的），而且性能更好，功能更强大：参考 ARM提供的资料

8512.pastedImage_5F00_46.png

	ARMv7-A	ARMv8-A AArch32	ARMv8-A AArch64
Register	32x64-bit	32x64-bit	32x128-bit
Integer	8/16/32/64-bit	8/16/32/64-bit	8/16/32/64-bit
Float	float	float	float/double
Operation	16x8-bit	16x8-bit	16x8-bit
Instruction Set	最少	比 ARMv7-A 多点	截然不同的

GPU

Android 主流的 GPU 只有两种，ARM 的 Mali 和高通的 Adreno。华为，MTK，三星都使用 Mali
Mali 是 ARM公司的，最早是 Falanx Microsystems 设计的，后边合并为 ARM 挪威公司。

	GFLOPS	SoC	Date
Mali-T830	40.8	Kirin 650/655, Exynos 7870/7880	2015Q4
Mali-T860		Helio P10	2015Q4
Mali-T880	122.4	Kirin 950/955, Helio P25/X20	2016Q2
Mali-G71	282	Kirin 860, Helo P23/P30, Exynos 5 8782	2016Q2
Mali-G72	330	Kirin 870, Helio P60/P70, Exynos 9 9810	2017Q2
Mali-G76	489.6	Kirin 980/990, Helio G90/G90T, Exynos 9 9820	2018Q2

Adreno 是 ARM Radeon 字母换序所得，Adreon 100 系列是高通自研的，Adreon 200 和 AMD 合作的（Imageon），后来 ADM 把部门卖给了高通。

	GFLOPS	SoC	Date
Adreon 130			2007
Adreon 200	2.1	Snapdragon S1	2008
Adreon 200 enhanced	3.2/3.9	Sanpdragon S1	2008
Adreno 203	7.8/9.4	Snapdragon S4 Play	2008
Adreno 205	7.8/8.5	Snapdragon S2	2008
...
Adreno 508	163.2	Snapdragon 630	2017
Adreno 512	217.6	Snapdragon 660	2017
Adreno 540	567	Snapdragon 835	2017
Adreno 630	727	Snapdragon 845	2018
Adreno 640	899/1037	Snapdragon 855/855+	2019
Qualcomm Kryo 485	47.36 (2.96x16)	Snapdragon 855+
Intel Haswell/Skylake	83.2 (2.6*32)	Xeon E5-4627 V4
TU102	13450	Geforce RTX 2080 Ti

最后三行分别是高通CPU、PC端 CPU，以及 Nvidia GPU 的性能，可以有个直观的对比
Android 下的 GPU 没有好用的加速框架，一般使用 Vulkan，OpenGL ES

	Vulkan	OpenGL ES	OpenCL
Mali-T8XX	1.0	3.2	1.2
Mali-GXX	1.1	3.2	2.0
Adreno 5XX	1.0	3.2	2.0
Adreno 6XX	1.0, 1.1	3.2	2.0
Android 1.0+	X	1.0, 1.1	no official
Android 2.2+	X	2.0	no official
Android 4.3+	X	3.0	no official
Android 5.0-7	X	3.1	no official
Android 7-9	1.0	3.1	no official
Android 9+	1.1	3.1	no official
iOS	X	3.0	X
iOS 12+	X	deprecated	X

版本范围都是左闭右开的。比较合理的加速方案是使用 OpenGL ES，适用范围最广。

专用于 AI 的加速方案

NNAPI

自 Android 8.1 后，Android 支持 NNAPI，对高通的支持较好。详情

各个厂商有自己的加速方案，然而没有统一的SDK，这给开发适配也带来了困难。

Huawei NPU

早期华为使用寒武纪开发的 NPU，目前华为的 NPU 是 Da Vinci 系列

	NPU	GPU
Kirin 990 5G	2x Da Vinci Lite + 1x Da Vinci Tiny	Mali-G76 MP16
Kirin 990	1x Da Vinci Lite + 1x Da Vinci Tiny	Mali-G76 MP16
Kirin 980	2x Cambricon 1H	Mali-G76 MP10
Kirin 970	1x Cambricon 1A	Mali-G72 MP12
Kirin 810	1x Da Vinci Tiny	Mali-G52 MP6
Kirin 710		Mali-G51 MP4

华为的 SDK 是 HiAI DDK：官网

Qualcomm DSP

外称 Hexagon，型号是 QDSP6

Version	Date
QDSP6 V1	2006
QDSP6 V2	2007
QDSP6 V3	2009
QDSP6 V4	2010-2011
QDSP6 V5	2013	Snapdragon 800
QDSP6 V6 68X	2016-2019

比较新的 SoC 都包含 Hexagon 600 系列的 DSP了

Snapdragon	CPU	GPU	DSP
800	Krait 400	Adreno 330	Hexagon QDSP6 V5
801/805/808/810			Hexagon 500
820/821			Hexagon 600
835	Kryo 280 (A73)	Adreno 540	Hexagon 682
845	Kryo 385 (A55+A75)	Adreno 630	Hexagon 685
855	Kryo 485 (A55+A76)	Adreno 640	Hexagon 690
855+	Kryo 485 (A55+A76)	Adreno 640	Hexagon 690

高通的 SDK 是 SNPE（现在改名了）：官网

MediaTek APU

MTK 的加速器叫做 APU，资料较少没有找到 SDK 信息，目前已经做到 3.0 版本了

	GPU	APU
Helio P1X/P2X	Mali-T8X0 / PowerVR GE8320	无
Helio X1X/X2X	Mali-T880 / PowerVR G6200	无
Helio P30/P35	Mali-G71	1x P5 DSP
Helio X30	PowerVR 7XTP	1x P5 DSP
Helio P60/P65/P70	Mali-G52 / Mali-G72	2x P6 DSP
Helio M70	Mali-G77	未知 (3.0)
Helio P90	PowerVR GM9446	2x R6 DSP (2.0)
Helio G90	Mali-G76	2x R6 DSP (2.0)

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