【Titan RA8P1 Board】MNIST 数字识别

本文介绍了瑞萨 Titan RA8P1 开发套件结合 MNIST 数据集、RUHMI 工具和 UART 串口功能实现手写数字识别的项目设计，包括环境搭建、工程构建、固件生成、命令行烧录、效果演示等。

项目介绍

• 环境搭建：pyOCD 部署、Keil CMSIS Pack 获取；
• 工程测试：工程创建、关键代码、工程编译；
• 固件上传：使用 pyOCD 工具将生成的 hex 固件通过命令行上传至板端；

MNIST

MNIST 数据集是一个大量手写数字集合，常用于训练各种图像处理系统。它是机器学习和计算机视觉领域的基础数据集。

MNIST 数据集由 Yann LeCun 及其同事于1994年创建。它包含7万张手写数字图像，其中6万张用于训练，1万张用于测试。每张图片为28x28像素的灰度图像，代表0到9的数字。该数据集来源于美国国家标准与技术研究院（NIST），经过归一化和调整尺寸以适应 28x28 格式。

数据集分为四个部分：

• 训练图像：train-images-idx3-ubyte.gz（9.45 MB，60,000 个样本）
• 训练标签：train-labels-idx1-ubyte.gz（28.2 KB，60,000 标签）
• 测试图像：t10k-images-idx3-ubyte.gz（1.57 MB，10,000 个样本）
• 测试标签：t10k-labels-idx1-ubyte.gz（4.43 KB，10,000个标签）。

每张图像以 28x28 像素矩阵表示，0 代表黑色，1 代表白色。标签以单热编码格式提供，表示图像所代表的数字。

MNIST 数据集可从官方网站下载：MNIST 数据集。

RUHMI

Robust Unified Heterogenous Model Integration（RUHMI） 是瑞萨电子推出的AI部署工具，旨在简化嵌入式设备中深度神经网络模型的部署。

• 该部署工具集成了 EdgeCortix® Mera™ 2.0 编译器，支持 TensorFlow Lite 和 ONNX 模型导入，可自动生成优化后的 C 源代码、头文件，以及二进制运行文件，可轻松编译并部署到 Renesas 开发板。

• RUHMI 提供图形化界面（GUI）：通过集成在 e² studio 中的图形化界面，直观完成模型转换、生成代码和二次开发。

详见：renesas/ruhmi-framework-mcu .

UART

使用板载 USB-DEB 调试器虚拟串口，输出手写数字识别结果。

• 根据 Titan Board 原理图可知，DAP-Link 虚拟串口对应引脚为 SCI8 ；

• 虚拟串口连接 RA8P1 引脚为 P500 (RXD8) 和 P501 (TXD8)；

详见：RT-Thread-Studio/sdk-bsp-ra8p1-titan-board .

工程创建

• 文件 - 新建 - 瑞萨 C/C++ 项目 - Renesas RA ；
• 自定义设备选择 R7KA8P1KFLCAC ，调试器选择 J-Link ；
• 项目创建完成后，选择进入透视图模式；
• 配置时钟树，使能 SCICLK - HOLO 分频并设置为 48MHz；
• 进入 Stacks 标签页，新建串口堆栈，配置串口参数，
  • 频道 6 ，波特率 115200，回调函数 user_uart6_callback ；
• 进入 BSP 标签页，配置属性
  • Main stack size 设置为 0x4000
  • Heap size 设置为 0x2000
• 点击 Generate Project Content 按钮，生成项目框架；
• 右键项目文件夹，构建工程，确认无报错；

详见：PyOCD 调试 .

模型转换

使用 RUHMI 工具转换 MNIST 数据集模型 mnist-12.onnx 为 C 源码。

• 进入菜单栏 Renesas AI - AI Navi 工具选项，选择 Use Your Project & AI Model ；

• 进入 Convert AI Model 标签页，点击 Convert... 按钮；

• 选择工程，设备 RA8 系列，工具为 RUHMI 编译器，模型选择 onnx 格式，配置输出路径，点击下一步；

• 配置 RUHMI Framework AI Compiler 为已安装的 .venv 虚拟环境所在路径；

• 点击 Start Quantization ，待进度条完成，点击 Next ；

• 进入转换流程，选择仅使用 CPU 推理的方案，配置权重保存位置等参数，点击 Start Conversion 执行转换程序；

• 待进度条完成，控制台输出 Success command 字样，表明模型转换完成。

详见：RUHMI 环境搭建 .

C 源码

• 将 RUHMI 转换后的 C 源码文件 ./conversion_results/converted/build/MCU/compilation/src/ 复制到 ./src 目录；

  

• 编译和构建项目，确认无报错。

详见：AI Navigator | 如何实现AI模型 .

工程代码

包含串口通信测试、MNIST 通信测试代码。

UART

打开 ./src/hal_entry.c 文件，添加如下代码

#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
void user_uart8_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{
    if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
    {
        uart_send_complete_flag = true;
    }
}

/*------------- 串口重定向 -------------*/
#ifdef __GNUC__
    #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else

#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
        err = R_SCI_B_UART_Write(&g_uart8_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);
        if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT();
        while(uart_send_complete_flag == false){}
        uart_send_complete_flag = false;
        return ch;
}

int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{
    for(int i=0;i<size;i++)
    {
        __io_putchar(*pBuffer++);
    }
    return size;
}

/*******************
      * main() 
********************/
void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    err = R_SCI_B_UART_Open(&g_uart8_ctrl, &g_uart8_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    while(1){
        printf("hello world!\n");
        R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

保存代码文件，构建工程，生成 hex 固件；

MNIST

打开 ./src/hal_entry.c 文件，添加如下代码

#include "hal_data.h"
#include "compute_sub_0000.h"
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdint.h>

#if (1 == BSP_MULTICORE_PROJECT) && BSP_TZ_SECURE_BUILD
bsp_ipc_semaphore_handle_t g_core_start_semaphore =
{
    .semaphore_num = 0
};
#endif

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
void user_uart8_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{
    if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
    {
        uart_send_complete_flag = true;
    }
}

/*------------- 串口重定向 -------------*/
#ifdef __GNUC__
    #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else

#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
        err = R_SCI_B_UART_Write(&g_uart8_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);
        if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT();
        while(uart_send_complete_flag == false){}
        uart_send_complete_flag = false;
        return ch;
}

int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{
    for(int i=0;i<size;i++)
    {
        __io_putchar(*pBuffer++);
    }
    return size;
}

/*------------- MNIST推理相关定义 -------------*/

/* 查看 compute_sub_0000.h 获取实际大小，MNIST-12通常为：
 * 输入：1x1x28x28 = 784
 * 输出：10
 * 中间缓冲区：kBufferSize_sub_0000
 */

/* 输入缓冲区：28x28 = 784个int8 */
static int8_t s_input_buffer[784];

/* 输出缓冲区：10个数字类别 */
static int8_t s_output_buffer[10];

/* 中间缓冲区 */
static uint8_t s_compute_buffer[kBufferSize_sub_0000];

/* 手写数字的测试数据（28x28灰度图，数值范围0-255） */
static const uint8_t digit_1_28x28[784] = {
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 36, 56,137,201,199, 95, 37,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 45,152,234,254,254,254,254,254,250,211,151,  6,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 46,153,240,254,254,227,166,133,251,200,254,229,225,104,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,153,234,254,254,187,142,  8,  0,  0,191, 40,198,246,223,253, 21,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  8,126,253,254,233,128, 11,  0,  0,  0,  0,210, 43, 70,254,254,254, 21,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0, 72,243,254,228, 54,  0,  0,  0,  0,  3, 32,116,225,242,254,255,162,  5,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0, 75,240,254,223,109,138,178,178,169,210,251,231,254,254,254,232, 38,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  9,175,244,253,255,254,254,251,254,254,254,254,254,252,171, 25,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 16,136,195,176,146,153,200,254,254,254,254,150, 16,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,162,254,254,241, 99,  3,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,118,250,254,254, 90,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,100,242,254,254,211,  7,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 54,241,254,254,242, 59,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,131,254,254,244, 64,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 13,249,254,254,152,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 12,228,254,254,208,  8,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0, 78,255,254,254, 66,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,209,254,254,137,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,227,255,233, 25,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,113,255,108,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
 0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,  0,
};

/* 打印28x28图像到串口（调试用） */
void print_image_ascii(const uint8_t *img)
{
    printf("\r\nInput Image (28x28):\r\n");
    for (int y = 0; y < 28; y++) {
        for (int x = 0; x < 28; x++) {
            uint8_t pixel = img[y * 28 + x];
            /* 简单ASCII艺术：根据灰度选择字符 */
            if (pixel > 200) printf("@@");
            else if (pixel > 150) printf("##");
            else if (pixel > 100) printf("++");
            else if (pixel > 50) printf("..");
            else printf("  ");
        }
        printf("\r\n");
    }
    printf("\r\n");
}

/* 将uint8图像数据转换为模型输入int8 */
void prepare_input(const uint8_t *src, int8_t *dst, int size)
{
    /* MNIST模型通常期望输入范围[0, 255]的int8 */
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        /* 模型归一化 */
        dst[i] = (int8_t)src[i] / 255;
    }
}

/* 反量化并打印推理结果 */
void print_inference_result(int8_t *output)
{
    /* 假设量化参数：scale=1/255, zero_point=0 */
    /* 实际参数请查看RHU生成的模型量化信息 */
    const float scale = 1.0f / 255.0f;
    const int zero_point = 0;

    float probs[10];
    float max_prob = -1.0f;
    int predicted = 0;

    printf("\r\n========== Inference Result ==========\r\n");

    /* 反量化和softmax近似 */
    /* 注意：如果模型输出已经是概率，直接归一化即可 */

    /* 先找到最大值（数值稳定性） */
    int8_t max_val = output[0];
    for (int i = 1; i < 10; i++) {
        if (output[i] > max_val) max_val = output[i];
    }

    /* 计算exp并求和 */
    float sum_exp = 0.0f;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        /* 反量化 */
        float val = (output[i] - zero_point) * scale;
        /* exp(x - max) 防止溢出 */
        probs[i] = expf(val - (max_val - zero_point) * scale);
        sum_exp += probs[i];
    }

    /* 归一化 */
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        probs[i] /= sum_exp;
        if (probs[i] > max_prob) {
            max_prob = probs[i];
            predicted = i;
        }
    }

    printf("Predicted Digit: %d (confidence: %.2f%%)\r\n", predicted, max_prob * 100);
    printf("\r\nProbability Distribution:\r\n");

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("  Digit %d: %6.2f%% [", i, probs[i] * 100);

        /* 绘制条形图 */
        int bar_len = (int)(probs[i] * 30 + 0.5f);
        for (int j = 0; j < 30; j++) {
            printf(j < bar_len ? "=" : "-");
        }
        printf("]\r\n");
    }
    printf("======================================\r\n");
}

/*************************
 * main() 
 ************************/
void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    err = R_SCI_B_UART_Open(&g_uart8_ctrl, &g_uart8_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    printf("\r\n");
    printf("========================================\r\n");
    printf("  RA8P1 MNIST-12 Inference Demo\r\n");
    printf("========================================\r\n");
    printf("\r\n");
    while(1){
        //printf("hello world!\n");
        //R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
        printf("--- Running inference ---\r\n");

        /* 1. 准备输入数据 */
        prepare_input(digit_1_28x28, s_input_buffer, 784);

        /* 2. 打印输入图像 */
        print_image_ascii(digit_1_28x28);

        /* 3. 执行推理 */
        compute_sub_0000(s_compute_buffer, s_input_buffer, s_output_buffer);

        /* 4. 打印推理结果 */
        print_inference_result(s_output_buffer);

        printf("Waiting 3 seconds...\r\n\r\n");
        R_BSP_SoftwareDelay (3000, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }
}

保存代码文件，构建工程，生成 hex 固件；

固件上传

• 连接开发板，检查设备管理器，存在 RA4M2 CMSIS-DAP 设备；

• 打开终端应用，执行如下指令

pyocd load --pack D:\31Pre-test\Renesas_RA8P1_Titan\code\Renesas.RA_DFP.6.4.0.pack -f 10000000 -t r7ja8p1ks D:\RenesasWorkspace\RA8P1_MNIST_UART\Debug\RA8P1_MNIST_UART.hex

待进度条走完，表明固件上传完成；

效果演示

• 运行串口调试助手软件，配置端口号、波特率等信息；

• 打开串口，可接收开发板发送的消息，连续打印 hello world 文本；

数字识别

打开串口，可接收 RA8P1 的推理结果

总结

本文介绍了瑞萨 Titan RA8P1 开发套件结合 MNIST 数据集、RUHMI 工具和 UART 串口功能实现手写数字识别的项目设计，包括环境搭建、工程构建、固件生成、命令行烧录、效果演示等，为相关产品在边缘 AI 领域的快速开发和应用设计提供了参考。