Vivado HLSで作ったラプラシアン・フィルタIPを使ってみる４

”Vivado HLSで作ったラプラシアン・フィルタIPを使ってみる３”の続き。

今回はCソースコードを貼っておく。
なお、Vivado HLSでラプラシアン・フィルタIP用のドライバが生成されていたが、使い方がまだよくわからないため、自作した。

まずは、lap_filter_hls.c このCソースコードの修正箇所は、laplacian_fil_hw()を呼び出すところだけだ。

// lap_filter_hls.c
// RGBをYに変換後にラプラシアンフィルタを掛ける。
// ピクセルのフォーマットは、{8'd0, R(8bits), G(8bits), B(8bits)}, 1pixel = 32bits
// 2013/09/16

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <dirent.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/kernel.h>
#include "lap_filter_uty.h"

#define LAP_FILTER_HW_ADDRESS    0x48000000    // ラプラシアン・フィルタのハードウェアのアドレス

#define HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH    800
#define VERTICAL_PIXEL_WIDTH    600
#define ALL_PIXEL_VALUE    (HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH*VERTICAL_PIXEL_WIDTH)

#define PAGE_SIZE (4*1024)
#define BLOCK_SIZE (4*1024)

#define BUFSIZE    1024

#define MEASURE_COUNT    5000

int laplacian_fil(unsigned int *lap_fil_hw_addr, int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2);
int conv_rgb2y(int rgb);
int chkhex(char *str);
volatile unsigned *setup_io(off_t mapped_addr, unsigned int *buf_addr);
void Xil_DCacheInvalidateLine(unsigned int adr);
void Xil_DCacheFlushLine(unsigned int adr);

int main()
{
    FILE *fd;
    int xy[3][3];
    char buf[BUFSIZE], *token;
    unsigned int read_num;
    unsigned int bitmap_dc_reg_addr;
    volatile unsigned *bm_disp_cnt_reg;
    unsigned int fb_addr, next_frame_addr;
    unsigned int val;
    int lap_fil_val;
    int x, y;
    int *r_pixel, *w_pixel;
    unsigned int r_addr, w_addr;
    unsigned int r_addr_page, w_addr_page;
    unsigned int r_addr_page_pre=0, w_addr_page_pre=0;
    unsigned int r_addr_offset, w_addr_offset;
    unsigned int r_buf, w_buf, bitmap_buf;
    struct timeval start_time, temp1, temp2, end_time;
    unsigned int rmmap_cnt=0, wmmap_cnt=0;
    unsigned int line_buf[3][HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH];
    int a, b;
    int fl, sl, tl;
    unsigned int lap_fil_hw, *lap_fil_hw_addr;

    gettimeofday(&start_time, NULL);    // プログラム起動時の時刻を記録

    // fb_start_addr.txt の内容をパイプに入れる
    memset(buf, '\0', sizeof(buf)); // buf すべてに\0 を入れる
    // fb_start_addr.txt を開く
    fd = popen("cat /Apps/fb_start_addr.txt", "r");
    if (fd != NULL){
        read_num = fread(buf, sizeof(unsigned char), BUFSIZE, fd);
        if (read_num > 0){
            sscanf(buf, "%x\n", &fb_addr);
        }
    }
    pclose(fd);

    // ラプラシアンフィルタの結果を入れておくフレーム・バッファ
    next_frame_addr = ((fb_addr + (ALL_PIXEL_VALUE*4)) & (~(int)(PAGE_SIZE-1))) + PAGE_SIZE;

    // Vivado HLS で作製したラプラシアン・フィルタIPのアドレスを取得
    lap_fil_hw_addr = setup_io((off_t)LAP_FILTER_HW_ADDRESS, &lap_fil_hw);

    lap_fil_initialize(lap_fil_hw_addr);    // ラプラシアン・フィルタIPの初期化とap_start

    // RGB値をY（輝度成分）のみに変換し、ラプラシアンフィルタを掛けた。
    for (y=0; y<VERTICAL_PIXEL_WIDTH; y++){
        for (x=0; x<HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; x++){
            if (y==0 || y==VERTICAL_PIXEL_WIDTH-1){ // 縦の境界の時の値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else if (x==0 || x==HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH-1){ // 横の境界の時も値は0とする
                lap_fil_val = 0;
            }else{
                if (y == 1 && x == 1){ // 最初のラインの最初のピクセルでは2ライン分の画素を読み出す
                    for (a=0; a<2; a++){ // 2ライン分
                        for (b=0; b<HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH; b++){ // ライン
                            r_addr = fb_addr+((y+(a-1))*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH+b)*4;
                            r_addr_page = r_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
                            r_addr_offset = r_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
                            if (r_addr_page != r_addr_page_pre){    // 以前のページと違うのでunmmap してページの物理アドレスを取り直す
                               if (r_addr_page_pre != 0){    // 初めの場合はmmap()していないので、munmap()しない
                                    munmap(r_pixel, BLOCK_SIZE);
                                    free((unsigned int *)r_buf);
                                }
                                r_pixel = setup_io((off_t)r_addr_page, &r_buf);

                                rmmap_cnt++;
                                r_addr_page_pre = r_addr_page;
                            }
                            line_buf[a][b] = *(volatile int *)((unsigned int)r_pixel + r_addr_offset);
                            line_buf[a][b] = conv_rgb2y(line_buf[a][b]);
                        }
                    }
                }
                if (x == 1) {    // ラインの最初なので、2つのピクセルを読み込む
                    for (b=0; b<2; b++){ // ライン
                        r_addr = fb_addr+((y+1)*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH+b)*4;
                        r_addr_page = r_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
                        r_addr_offset = r_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
                        if (r_addr_page != r_addr_page_pre){    // 以前のページと違うのでunmmap してページの物理アドレスを取り直す
                           if (r_addr_page_pre != 0){    // 初めの場合はmmap()していないので、munmap()しない
                                munmap(r_pixel, BLOCK_SIZE);
                                free((unsigned int *)r_buf);
                            }
                            r_pixel = setup_io((off_t)r_addr_page, &r_buf);

                            rmmap_cnt++;
                            r_addr_page_pre = r_addr_page;
                        }
                        line_buf[(y+1)%3][b] = *(volatile int *)((unsigned int)r_pixel + r_addr_offset);
                        // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                        line_buf[(y+1)%3][b] = conv_rgb2y(line_buf[(y+1)%3][b]);
                    }
                }

                // 1つのピクセルを読み込みながらラプラシアン・フィルタを実行する
                r_addr = fb_addr+((y+1)*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH+(x+1))*4; // ラプラシアン・フィルタに必要な最後のピクセルを読み込む
                r_addr_page = r_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
                r_addr_offset = r_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
                if (r_addr_page != r_addr_page_pre){    // 以前のページと違うのでunmmap してページの物理アドレスを取り直す
                   if (r_addr_page_pre != 0){    // 初めの場合はmmap()していないので、munmap()しない
                        munmap(r_pixel, BLOCK_SIZE);
                        free((unsigned int *)r_buf);
                    }
                    r_pixel = setup_io((off_t)r_addr_page, &r_buf);

                    rmmap_cnt++;
                    r_addr_page_pre = r_addr_page;
                }
                line_buf[(y+1)%3][x+1] = *(volatile int *)((unsigned int)r_pixel + r_addr_offset);
                // (y+1)%3 は、使用済みのラインがに読み込む、y=2 の時 line[0], y=3の時 line[1], y=4の時 line[2]
                line_buf[(y+1)%3][x+1] = conv_rgb2y(line_buf[(y+1)%3][x+1]);

                fl = (y-1)%3;    // 最初のライン, y=1 012, y=2 120, y=3 201, y=4 012
                sl = y%3;        // 2番めのライン
                tl = (y+1)%3;    // 3番目のライン
                lap_fil_val = laplacian_fil(lap_fil_hw_addr, line_buf[fl][x-1], line_buf[fl][x], line_buf[fl][x+1], line_buf[sl][x-1], line_buf[sl][x], line_buf[sl][x+1], line_buf[tl][x-1], line_buf[tl][x], line_buf[tl][x+1]);
            }
            w_addr = next_frame_addr+(y*HORIZONTAL_PIXEL_WIDTH + x)*4;
            w_addr_page = w_addr & (~(int)(PAGE_SIZE-1));
            w_addr_offset = w_addr & ((int)(PAGE_SIZE-1));
            if (w_addr_page != w_addr_page_pre){    // 以前のページと違うのでunmmap してページの物理アドレスを取り直す
                if (w_addr_page_pre != 0){    // 初めの場合はmmap()していないので、munmap()しない
                    munmap(w_pixel, BLOCK_SIZE);
                    free((unsigned int *)w_buf);
                }
                w_pixel = setup_io((off_t)w_addr_page, &w_buf);
                wmmap_cnt++;
                w_addr_page_pre = w_addr_page;
            }
            *(volatile int *)((unsigned int)w_pixel + w_addr_offset) = (lap_fil_val<<16)+(lap_fil_val<<8)+lap_fil_val ;
            //printf("x = %d  y = %d\n", x, y);
        }
        a++;
    }
    munmap((unsigned int *)r_addr_page, BLOCK_SIZE);
    free((unsigned int *)r_buf);
    munmap((unsigned int *)w_addr_page, BLOCK_SIZE);
    free((unsigned int *)w_buf);
    munmap((unsigned int *)lap_fil_hw_addr, BLOCK_SIZE);
    free((unsigned int *)lap_fil_hw);

    // bitmap-disp-cntrler-axi-master　のアドレスを取得
    memset(buf, '\0', sizeof(buf)); // buf すべてに\0 を入れる
    // ls /sys/devices/axi.0 の内容をパイプに入れる
    fd = popen("ls /sys/devices/axi.0", "r");
    if (fd != NULL){
        read_num = fread(buf, sizeof(unsigned char), BUFSIZE, fd);
        if (read_num > 0){
            token = buf;
            if ((token=strtok(token, ".\n")) != NULL){
                do {
                    if (chkhex(token)){ // 16進数
                        sscanf(token, "%x", &val);
                    } else {
                        if (strcmp(token, "bitmap-disp-cntrler-axi-master") == 0)
                            bitmap_dc_reg_addr = val;
                    }
                }while((token=strtok(NULL, ".\n")) != NULL);
            }
        }
    }
    pclose(fd);

    // ラプラシアンフィルタの掛かった画像のスタートアドレスを bitmap-disp-cntrler-axi-master にセット
    bm_disp_cnt_reg = setup_io((off_t)bitmap_dc_reg_addr, &bitmap_buf);
    *bm_disp_cnt_reg = next_frame_addr;

    munmap((unsigned int *)bm_disp_cnt_reg, BLOCK_SIZE);
    free((unsigned int *)bitmap_buf);

    gettimeofday(&end_time, NULL);
    printf("rmmap_cnt = %d\n", rmmap_cnt);
    printf("wmmap_cnt = %d\n", wmmap_cnt);
    if (end_time.tv_usec < start_time.tv_usec) {
        printf("total time = %d.%d sec\n", end_time.tv_sec - start_time.tv_sec - 1, 1000000 + end_time.tv_usec - start_time.tv_usec);
    }
    else {
        printf("total time = %d.%d sec\n", end_time.tv_sec - start_time.tv_sec, end_time.tv_usec - start_time.tv_usec);
    }
    return(0);
}


// RGBからYへの変換
// RGBのフォーマットは、{8'd0, R(8bits), G(8bits), B(8bits)}, 1pixel = 32bits
// 輝度信号Yのみに変換する。変換式は、Y =  0.299R + 0.587G + 0.114B
// "YUVフォーマット及び YUV<->RGB変換"を参考にした。http://vision.kuee.kyoto-u.ac.jp/~hiroaki/firewire/yuv.html
//　2013/09/27 : float を止めて、すべてint にした
int conv_rgb2y(int rgb){
    int r, g, b, y_f;
    int y;

    b = rgb & 0xff;
    g = (rgb>>8) & 0xff;
    r = (rgb>>16) & 0xff;

    y_f = 77*r + 150*g + 29*b; //y_f = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b;の係数に256倍した
    y = y_f >> 8; // 256で割る

    return(y);
}

// ラプラシアンフィルタ
// x0y0 x1y0 x2y0 -1 -1 -1
// x0y1 x1y1 x2y1 -1  8 -1
// x0y2 x1y2 x2y2 -1 -1 -1
int laplacian_fil(unsigned int *lap_fil_hw_addr, int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2)
{
    //return(abs(-x0y0 -x1y0 -x2y0 -x0y1 +8*x1y1 -x2y1 -x0y2 -x1y2 -x2y2));
    return(laplacian_fil_hw(lap_fil_hw_addr, x0y0, x1y0, x2y0, x0y1, x1y1, x2y1, x0y2, x1y2, x2y2));
}

//
// Set up a memory regions to access GPIO
//
volatile unsigned *setup_io(off_t mapped_addr, unsigned int *buf_addr)
// void setup_io()
{
    int  mem_fd;
    char *gpio_mem, *gpio_map;

   /* open /dev/mem */
   if ((mem_fd = open("/dev/mem", O_RDWR|O_SYNC) ) < 0) {
      printf("can't open /dev/mem \n");
      printf("mapped_addr = %x\n", mapped_addr);
      exit (-1);
   }

   /* mmap GPIO */

   // Allocate MAP block
   if ((gpio_mem = malloc(BLOCK_SIZE + (PAGE_SIZE-1))) == NULL) {
      printf("allocation error \n");
      exit (-1);
   }
    *buf_addr = gpio_mem;    // mallocしたアドレスをコピー

   // Make sure pointer is on 4K boundary
   if ((unsigned long)gpio_mem % PAGE_SIZE)
     gpio_mem += PAGE_SIZE - ((unsigned long)gpio_mem % PAGE_SIZE);

   // Now map it
   gpio_map = (unsigned char *)mmap(
      (caddr_t)gpio_mem,
      BLOCK_SIZE,
      PROT_READ|PROT_WRITE,
      MAP_SHARED|MAP_FIXED,
      mem_fd,
      mapped_addr
   );

   if ((long)gpio_map < 0) {
      printf("mmap error %d\n", (int)gpio_map);
      printf("mapped_addr = %x\n", mapped_addr);
      exit (-1);
   }

   close(mem_fd); // /dev/mem のクローズ

   // Always use volatile pointer!
   // gpio = (volatile unsigned *)gpio_map;
   return((volatile unsigned *)gpio_map);

} // setup_io

// 文字列が16進数かを調べる
int chkhex(char *str){
    while (*str != '\0'){
        if (!isxdigit(*str))
            return 0;
        str++;
    }
    return 1;
}

次に、lap_filter_uty.h を下に示す。

// axi lite slave utility routine of laplacian filter
// 2013/10/07
//

void lap_fil_initialize(unsigned int *lap_fil_hw_addr);
int laplacian_fil_hw(unsigned int *lap_fil_hw_addr, int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2);

最後に、lap_filter_uty.c を下に示す。

// axi lite slave utility routine of laplacian filter
// 2013/10/07
//

#include "xlaplacian_filter_hw.h"

#define AP_START_BIT_POS    1    // ap_start のビット位置 bit0
#define AP_DONE_BIT_POS        2    // ap_done のビット位置 bit1

void lap_fil_initialize(unsigned int *lap_fil_hw_addr)
{
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_AP_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_GIE) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_IER) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y0_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y0_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y0_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y1_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y1_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y1_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y2_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y2_CTRL) = 0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y2_CTRL) = 0;
}
    
// ラプラシアンフィルタ
// x0y0 x1y0 x2y0 -1 -1 -1
// x0y1 x1y1 x2y1 -1  8 -1
// x0y2 x1y2 x2y2 -1 -1 -1
int laplacian_fil_hw(unsigned int *lap_fil_hw_addr, int x0y0, int x1y0, int x2y0, int x0y1, int x1y1, int x2y1, int x0y2, int x1y2, int x2y2)
{
    int ap_status, ap_done;
    int ap_return;
    int x0y0_read;
    
    // data Write
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y0_DATA) = x0y0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y0_DATA) = x1y0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y0_DATA) = x2y0;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y1_DATA) = x0y1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y1_DATA) = x1y1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y1_DATA) = x2y1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y2_DATA) = x0y2;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y2_DATA) = x1y2;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y2_DATA) = x2y2;

    //x0y0_read = *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y0_DATA);
    
    // ap_start enable
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_AP_CTRL) = AP_START_BIT_POS;

     // vld enable
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y0_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y0_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y0_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y1_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y1_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y1_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y2_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X1Y2_CTRL) = 1;
    *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X2Y2_CTRL) = 1;
    
    // wait ap_done
    do{
        ap_status = *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_AP_CTRL);
        ap_done = ap_status & AP_DONE_BIT_POS;
    }while(!ap_done);
    
    // ap_return read
    ap_return = *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_AP_RETURN);
    //printf("ap_return = %d\n", ap_return);
    return(abs(ap_return));
}

lap_filter_uty.c で、laplacian_fil_hw() の”//x0y0_read = *(volatile int *)((unsigned int)lap_fil_hw_addr + (unsigned int)XLAPLACIAN_FILTER_BUS_A_ADDR_X0Y0_DATA);”のコメントを外すと、ラプラシアン・フィルタの実行時間が1.9秒程度から2.8秒程度に遅くなる。なぜなのか？がとっても気になる。