Vivado HLS で DMA Read IP を作る（絶対アドレス指定版）

DMA Write IP に続いてDMA Read IP を作ってみた。絶対アドレスを設定する版を作った。
DMA Read IP は、DMA Write IP のactive_frame を受けて、その1つ前を表示するモードと3つのフレームバッファの内容をDMA Read するフリーラン・モードを設けてある。
mode = 0 の時は、DMA Write IP のactive_frame を受けて、その1つ前を表示するモードで、mode = 1 の時がフリーラン・モードとなる。

それでは、C ソースコードの DMA_Read_addr.cpp を示す。なお、AXI4-Stream のフォーマットはAXI VDMA に合わせてある。

// DMA_Read_addr.cpp
// 2016/07/13 by marsee
//
// frame_buffer0, frame_buffer1, frame_buffer2 には3つのフレームバッファのアドレスを入れる
// 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)

#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_addr(volatile int *in, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs,
        unsigned int frame_buffer0, unsigned int frame_buffer1,
        unsigned int frame_buffer2, ap_uint<2> & active_frame,
        ap_uint<1> mode){
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=mode
#pragma HLS INTERFACE ap_none port=active_frame
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=frame_buffer0
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=frame_buffer1
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=frame_buffer2
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=5000000 port=in offset=off
#pragma HLS INTERFACE axis port=outs
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return

    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    unsigned int dma_index, n;

    for (int i=0; i<MAX_FRAME_NUMBER; i++){
        if (mode == DMA_WRITE_MODE)
            n = (unsigned int)active_frame;
        else
            n = (unsigned int)i;

        switch (n){ // 1つ前のフレームバッファを読みだす
            case 0 :
                dma_index = frame_buffer2/sizeof(int);
                break;
            case 1 :
                dma_index = frame_buffer0/sizeof(int);
                break;
            case 2 :
                dma_index = frame_buffer1/sizeof(int);
                break;
            default :
                dma_index = frame_buffer0/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;
}

次に、DMA_Read.h を示す。
<

span class="src_singlelinecomment">// DMA_Read.h
// 2016/07/14 by marsee
//

//#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

最後にテストベンチのDMA_Read_addr_tb.cpp を示す。
’A’という文字のBMPファイルをRead して3つのフレームバッファに同じ’A’画像を書き込んで、mode = 0 の時にDMA_Read_addr() を実行し、mode = 1 でもう一度、DMA_Read_addr() を実行する。mode = 1の時のAXI4-Stream の出力をdma_result0.bmp ～ dma_result2.bmp の3つの画像にする。

// DMA_Read_addr_tb.cpp
// 2016/07/15 by marsee
//

#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_addr(volatile int *in, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs,
        unsigned int frame_buffer0, unsigned int frame_buffer1,
        unsigned int frame_buffer2,  ap_uint<2> & active_frame,
        ap_uint<1> mode);

int main()
{
    using namespace std;

    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > outs_dummy;
    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
        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(3 * 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
    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));

    DMA_Read_addr((volatile int *)0, outs_dummy, (unsigned int)frame_buffer,
        (unsigned int)frame_buffer+(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight * sizeof(int)),
        (unsigned int)frame_buffer+(2 * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int)),
        active_frame, DMA_WRITE_MODE);

    DMA_Read_addr((volatile int *)0, outs, (unsigned int)frame_buffer,
        (unsigned int)frame_buffer+(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight * sizeof(int)),
        (unsigned int)frame_buffer+(2 * (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int)),
        active_frame, FREE_RUN_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;
            }
        }
    }

    // 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;
}

これでC シミュレーションを実行した。


dma_result0.bmp ～ dma_result2.bmp の3つの画像はすべて正常だった。

C コードの合成を行った。


3つの画像のDMA で Latency が 9242 なので、1クロックごとに1ピクセルを処理できているようだ。
LUT は 10 % が使用されているので、リソース使用量は多いと言えると思う。

C/RTL 協調シミュレーションを行った。


9324 クロックだった。

C/RTL 協調シミュレーション波形を示す。


m_axi_in_r_ARLEN は 0f で 16 バースト転送となっていた。
dma_result0.bmp ～ dma_result2.bmp の3つの画像は真っ黒でDMA Write版と同じで、うまく行ってなかった。



outs_TVALID と outs_TREADY がほとんど 1 のままなので、連続して出力されていることがわかる。

最後に、AXI4 Lite Slave の最初の設定部分を示す。