Vivado HLS で DMA Read IP を作る3（オフセット・アドレス指定版）

”Vivado HLS で DMA Read IP を作る2（絶対アドレス指定版）”の続き。

ついでに作ったので書いておこう。
”Vivado HLS で DMA Read IP を作る2（絶対アドレス指定版）”は絶対アドレスを3つ指定して、DMA Read を行うが、DMA Read IP のオフセット・アドレス指定版はベース・アドレスを指定し、ベースアドレスに対してのオフセット・アドレスを3つ指定してDMA Readするアドレスを決定する。ただし、C のソースコードはm_axi 指示子の depth と offset オプションのみが違っている。
depth は本来の値に設定する。そして、offset=slave とする必要がある。offset=slave とすると、ベース・アドレスがAXI4-Lite のレジスタとして実装される。
なおターゲットとしてはZYBO ボードとする。

Vivado HLS 2016.4 の DMA_Read_offset プロジェクトを示す。


C シミュレーションを行った。成功した。


C コードの合成を行った。結果を示す。

ベース・アドレスのレジスタが増えているだけに、オフセット・アドレス版のほうがリソース使用量が多い。
アドレス・マップを示す。

//------------------------Address Info-------------------
// 0x00 : Control signals
//        bit 0  - ap_start (Read/Write/COH)
//        bit 1  - ap_done (Read/COR)
//        bit 2  - ap_idle (Read)
//        bit 3  - ap_ready (Read)
//        bit 7  - auto_restart (Read/Write)
//        others - reserved
// 0x04 : Global Interrupt Enable Register
//        bit 0  - Global Interrupt Enable (Read/Write)
//        others - reserved
// 0x08 : IP Interrupt Enable Register (Read/Write)
//        bit 0  - Channel 0 (ap_done)
//        bit 1  - Channel 1 (ap_ready)
//        others - reserved
// 0x0c : IP Interrupt Status Register (Read/TOW)
//        bit 0  - Channel 0 (ap_done)
//        bit 1  - Channel 1 (ap_ready)
//        others - reserved
// 0x10 : Data signal of ap_return
//        bit 31~0 - ap_return[31:0] (Read)
// 0x18 : Data signal of in_r
//        bit 31~0 - in_r[31:0] (Read/Write)
// 0x1c : reserved
// 0x20 : Data signal of fb0_offset_addr
//        bit 31~0 - fb0_offset_addr[31:0] (Read/Write)
// 0x24 : reserved
// 0x28 : Data signal of fb1_offset_addr
//        bit 31~0 - fb1_offset_addr[31:0] (Read/Write)
// 0x2c : reserved
// 0x30 : Data signal of fb2_offset_addr
//        bit 31~0 - fb2_offset_addr[31:0] (Read/Write)
// 0x34 : reserved
// 0x38 : Data signal of mode_V
//        bit 0  - mode_V[0] (Read/Write)
//        others - reserved
// 0x3c : reserved
// (SC = Self Clear, COR = Clear on Read, TOW = Toggle on Write, COH = Clear on Handshake)

DMAのベース・アドレスのレジスタ”0x18 : Data signal of in_r”があるのが分かる。

C/RTL協調シミュレーションを行った。結果を示す。


C/RTL協調シミュレーション波形を示す。3つのDMA Readが見えている。

絶対アドレス版と違って、オフセット・アドレス版は dma_result0.bmp、dma_result1.bmp、dma_result2.bmp が正常に”A”になっている。



Export RTL を行った。


DMA_Read.h を示す。

// DMA_Read.h
// 2016/07/14 by marsee
// 2016/09/18 : BURST_LENGTH を追加
//

#ifndef __DMA_READ_H__
#define __DMA_READ_H__

//#define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH    800
//#define VERTICAL_PIXEL_WIDTH    600

#define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH    64
#define VERTICAL_PIXEL_WIDTH    48

#define ALL_PIXEL_VALUE    (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH*VERTICAL_PIXEL_WIDTH)

#define MAX_FRAME_NUMBER    3

#define DMA_WRITE_MODE    0
#define FREE_RUN_MODE    1

#define MEMCPY_LENGTH    (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH*4)

#endif

DMA_Read_offset.cpp を示す。

// DMA_Read_offset.cpp
// 2017/04/17 by marsee
//
// fb0_offset_addr, fb1_offset_addr, fb2_offset_addr には3つのフレームバッファのオフセット・アドレスを入れる
// mode = 0 : DMA Write IP の active_frame を見て、その1つ前のフレームをDMA Readするモード(DMA_WRITE_MODE)
// mode = 1 : フリーラン モード(FREE_RUN_MODE)
//
// カメラのフレームレートの方が小さい場合に、フリーランモードで3つフレームバッファが別々だと画像がぶれてしまう。
// その場合は、3つのフレームバッファ・アドレスを1つのアドレスを入れて、シングル・フレームバッファとする必要がある。

// 1フレーム分のDMAを行う
//

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <ap_int.h>
#include <hls_stream.h>
#include <ap_axi_sdata.h>

#include "DMA_Read.h"

int DMA_Read_offset(volatile int *in, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs,
        unsigned int fb0_offset_addr, unsigned int fb1_offset_addr,
        unsigned int fb2_offset_addr, ap_uint<2> & active_frame,
        ap_uint<1> mode){
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=mode
#pragma HLS INTERFACE ap_none register port=active_frame
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=fb0_offset_addr
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=fb1_offset_addr
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=fb2_offset_addr
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=9216 port=in offset=slave
#pragma HLS INTERFACE axis port=outs
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return

    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    int dma_index;
    static int n = 0;

    if (mode == DMA_WRITE_MODE){
        n = (int)active_frame;
    }else{
        n++;
        if (n > 2)
            n = 0;
    }

    switch (n){ // 1つ前のフレームバッファを読みだす
        case 0 :
            dma_index = fb2_offset_addr/sizeof(int);
            break;
        case 1 :
            dma_index = fb0_offset_addr/sizeof(int);
            break;
        case 2 :
            dma_index = fb1_offset_addr/sizeof(int);
            break;
        default :
            dma_index = fb0_offset_addr/sizeof(int);
            break;
    }

    for (int y=0; y<VERTICAL_PIXEL_WIDTH; y++){
        for (int x=0; x<HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; x++){
#pragma HLS PIPELINE II=1
            pix.data = in[dma_index+(y*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH)+x];

            if (y==0 && x==0)
                pix.user = 1;
            else
                pix.user = 0;

            if (x == (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH-1))
                pix.last = 1;
            else
                pix.last = 0;

            outs << pix;
        }
    }

    return 0;
}

DMA_Read_offset_tb.cpp を示す。

// DMA_Read_offset_tb.cpp
// 2016/07/15 by marsee
// 2017/03/16 : 3フレーム処理から1フレーム処理に変更
//

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <ap_int.h>
#include <hls_stream.h>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <ap_axi_sdata.h>

#include "DMA_Read.h"
#include "bmp_header.h"

int DMA_Read_offset(volatile int *in, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs,
        unsigned int fb0_offset_addr, unsigned int fb1_offset_addr,
        unsigned int fb2_offset_addr, ap_uint<2> & active_frame,
        ap_uint<1> mode);

int main()
{
    using namespace std;

    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > outs;
    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    ap_axis<32,1,1,1> vals;

    BITMAPFILEHEADER bmpfhr; // BMPファイルのファイルヘッダ(for Read)
    BITMAPINFOHEADER bmpihr; // BMPファイルのINFOヘッダ(for Read)
    FILE *fbmpr, *fbmpw;
    int *rd_bmp, *hw_lapd;
    int blue, green, red;
    ap_uint<2> active_frame = 0;
    int *frame_buffer;

    if ((fbmpr = fopen("test.bmp", "rb")) == NULL){ // test.bmp をオープン
    //if ((fbmpr = fopen("road_1.bmp", "rb")) == NULL){ // test.bmp をオープン
        fprintf(stderr, "Can't open test.bmp by binary read mode\n");
        exit(1);
    }
    // bmpヘッダの読み出し
    fread(&bmpfhr.bfType, sizeof(char), 2, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfSize, sizeof(long), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(short), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(short), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(long), 1, fbmpr);
    fread(&bmpihr, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fbmpr);

    // ピクセルを入れるメモリをアロケートする
    if ((rd_bmp =(int *)malloc(sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate rd_bmp memory\n");
        exit(1);
    }

    int *buf;
    if ((buf =(int *)malloc(MAX_FRAME_NUMBER * sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate buf memory\n");
        exit(1);
    }

    // rd_bmp にBMPのピクセルを代入。その際に、行を逆転する必要がある
    for (int y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (int x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            blue = fgetc(fbmpr);
            green = fgetc(fbmpr);
            red = fgetc(fbmpr);
            rd_bmp[((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] = (blue & 0xff) | ((green & 0xff)<<8) | ((red & 0xff)<<16);
        }
    }
    fclose(fbmpr);

    // frame buffer をアロケートする、3倍の領域を取ってそれを3つに分ける
    if ((frame_buffer =(int *)malloc(MAX_FRAME_NUMBER * sizeof(int) * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight))) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate frame_buffer0 ~ 2\n");
        exit(1);
    }

    // 3 つのフレームバッファにそれぞれ'A' を入力する（1つに変更）
    memcpy(frame_buffer, rd_bmp, bmpihr.biHeight * bmpihr.biWidth * sizeof(int));

    memcpy((int *)((unsigned int)frame_buffer + bmpihr.biHeight * bmpihr.biWidth * sizeof(int)),
        rd_bmp, bmpihr.biHeight * bmpihr.biWidth * sizeof(int));

    memcpy((int *)((unsigned int)frame_buffer + 2 * bmpihr.biHeight * bmpihr.biWidth * sizeof(int)),
        rd_bmp, bmpihr.biHeight * bmpihr.biWidth * sizeof(int));

    active_frame = 1; // fb0_offset_addr
    DMA_Read_offset((volatile int *)frame_buffer, outs, (unsigned int)0,
        (unsigned int)(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight * sizeof(int)),
        (unsigned int)(2 * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int)),
        active_frame, DMA_WRITE_MODE);

    active_frame = 2; // fb1_offset_addr
    DMA_Read_offset((volatile int *)frame_buffer, outs, (unsigned int)0,
        (unsigned int)(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight * sizeof(int)),
        (unsigned int)(2 * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int)),
        active_frame, DMA_WRITE_MODE);

    active_frame = 0; // fb2_offset_addr
    DMA_Read_offset((volatile int *)frame_buffer, outs, (unsigned int)0,
        (unsigned int)(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight * sizeof(int)),
        (unsigned int)(2 * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int)),
        active_frame, DMA_WRITE_MODE);

    // outs ストリームのデータを buf に入力する
    for (int k=0; k<3; k++){
        for(int j=0; j < bmpihr.biHeight; j++){
            for(int i=0; i < bmpihr.biWidth; i++){
                outs >> vals;
                ap_int<32> val = vals.data;
                buf[(k*bmpihr.biWidth*bmpihr.biHeight)+(j*bmpihr.biWidth)+i] = (int)val;

                if (val != frame_buffer[(k*bmpihr.biWidth*bmpihr.biHeight)+(j*bmpihr.biWidth)+i]){
                    printf("ERROR HW and SW results mismatch k = %d, i = %d, j = %d, HW = %08x, SW = %08x\n", k, i, j, (int)val, (int)frame_buffer[(k*bmpihr.biWidth*bmpihr.biHeight)+(j*bmpihr.biWidth)+i]);
                    return(1);
                }
            }
        }
    }

    // DMAされたデータをBMPフィルに書き込む
    char output_file[] = "dma_result0.bmp";
    for (int i=0; i<MAX_FRAME_NUMBER; i++){
        switch (i){
            case 0:
                strcpy(output_file,"dma_result0.bmp");
                break;
            case 1:
                strcpy(output_file,"dma_result1.bmp");
                break;
            case 2:
                strcpy(output_file,"dma_result2.bmp");
                break;
        }
        if ((fbmpw=fopen(output_file, "wb")) == NULL){
            fprintf(stderr, "Can't open %s by binary write mode\n", output_file);
            exit(1);
        }
        // BMPファイルヘッダの書き込み
        fwrite(&bmpfhr.bfType, sizeof(char), 2, fbmpw);
        fwrite(&bmpfhr.bfSize, sizeof(long), 1, fbmpw);
        fwrite(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(short), 1, fbmpw);
        fwrite(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(short), 1, fbmpw);
        fwrite(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(long), 1, fbmpw);
        fwrite(&bmpihr, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fbmpw);

        // RGB データの書き込み、逆順にする
        int offset = i * bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight;
        for (int y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
            for (int x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
                blue = buf[offset+((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] & 0xff;
                green = (buf[offset+((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x] >> 8) & 0xff;
                red = (buf[offset+((bmpihr.biHeight-1)-y)*bmpihr.biWidth+x]>>16) & 0xff;

                fputc(blue, fbmpw);
                fputc(green, fbmpw);
                fputc(red, fbmpw);
            }
        }
        fclose(fbmpw);
    }
    free(rd_bmp);
    free(frame_buffer);
    return 0;
}