FC2カウンター FPGAの部屋 Vitis 2019.2 で自作カーネルを使用してストーミング接続を試す2
FC2ブログ

FPGAやCPLDの話題やFPGA用のツールの話題などです。 マニアックです。 日記も書きます。

FPGAの部屋

FPGAの部屋の有用と思われるコンテンツのまとめサイトを作りました。Xilinx ISEの初心者の方には、FPGAリテラシーおよびチュートリアルのページをお勧めいたします。

Vitis 2019.2 で自作カーネルを使用してストーミング接続を試す2

Vitis 2019.2 で自作カーネルを使用してストーミング接続を試す1”の続き。

前回は、今まで作ってきた krnl_dma_read , krnl_lap_filter , krnl_dma_write をストーミング接続した Vitis 2019.2 プロジェクトを作成して、動作を確認することにした、ということで、Vitis 2019.2 の streaming_lap_filter プロジェクトを作成した。今回は、ソースコードを入れていってプロジェクトを完成させる。

krnl_dma_read.cpp , krnl_lap_filter.cpp , krnl_dma_write.cpp を Streaming_lap_filter_system -> streaming_lap_filter/src にインポートした。そして、Hardware Functions に指定した。
xclbin ファイルの名前は krnl_lap_filter とした。
streaming_lap_filter_6_200202.png

カーネル間のストーミング接続を記述したファイルを生成する。
Vitis GUI で Streaming_lap_filter_system -> streaming_lap_filter/src を右クリックして、右クリックし、右クリックメニューから New -> File を選択した。
New File ダイアログで File name に krnl_stream_dmar_lap_dmaw.ini を生成した。
streaming_lap_filter_7_200202.png

krnl_stream_dmar_lap_dmaw.ini が生成されて、dma_read から krnl_lap_filter へのストーミング接続と krnl_lap_filter から dma_write までのストーミング接続について記述した。

[connectivity]
stream_connect=dma_read_1.outs:krnl_lap_filter_1.ins
stream_connect=krnl_lap_filter_1.outs:dma_write_1.ins


streaming_lap_filter_8_200202.png

次にホスト・アプリケーションを作成しよう。
Vitis GUI で Streaming_lap_filter_system -> streaming_lap_filter/src を右クリックして、右クリックし、右クリックメニューから New -> File を選択した。
New File ダイアログで File name に krnl_streaming_lap_host.cpp を入力した。
streaming_lap_filter_9_200202.png

krnl_streaming_lap_host.cpp が新規作成されたので、ソースコードを入力した。
streaming_lap_filter_10_200202.png

krnl_stream_dmar_lap_dmaw.ini をストーミング接続の記述ファイルとして Vitis に指示する。
Assistant ウインドウで Streaming_lap_filter_system -> streaming_lap_filter を右クリックし右クリックメニューから settings... を選択する。
Project Settings ダイアログが開く。
V++ linker options に

--config ../src/krnl_stream_dmar_lap_dmaw.ini

を入力して、Apply and Close ボタンをクリックする。
streaming_lap_filter_11_200202.png

Assistant ウインドウで Streaming_lap_filter_system -> streaming_lap_filter -> Hardware をビルドした。2回ビルドすると、成功の緑のチェックマークになった。
streaming_lap_filter_12_200202.png

現在の、krnl_streaming_lap_host.cpp を示す。なお、デバック中なので、printf(); と fflush(); が埋め込んである。

// krnl_streaming_lap_host.cpp
// 2020/02/02 by marsee
//

// Vitis-Tutorials/docs/mixing-c-rtl-kernels/reference-files/src/host/host_step1.cpp のコードを引用します
// https://github.com/Xilinx/Vitis-Tutorials/blob/master/docs/mixing-c-rtl-kernels/reference-files/src/host/host_step1.cpp
#define CL_HPP_CL_1_2_DEFAULT_BUILD
#define CL_HPP_TARGET_OPENCL_VERSION 120
#define CL_HPP_MINIMUM_OPENCL_VERSION 120
#define CL_HPP_ENABLE_PROGRAM_CONSTRUCTION_FROM_ARRAY_COMPATIBILITY 1
#define CL_USE_DEPRECATED_OPENCL_1_2_APIS

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <vector>
#include <CL/cl2.hpp>
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <CL/cl_ext_xilinx.h>
#include <unistd.h>
#include <limits.h>
#include <sys/stat.h>
#include <ap_int.h>
#include <hls_stream.h>
#include <ap_axi_sdata.h>

#include "bmp_header.h"

int laplacian_fil_soft(int32_t x0y0, int32_t x1y0, int32_t x2y0, int32_t x0y1, int32_t x1y1, int32_t x2y1, int32_t x0y2, int32_t x1y2, int32_t x2y2);
int32_t conv_rgb2y_soft(int32_t rgb);
int32_t lap_filter_axis_soft(hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& ins, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs, int32_t width, int32_t height); // software

static const std::string error_message =
    "Error: Result mismatch:\n"
    "i = %d CPU result = %d Device result = %d\n";

//Some Library functions to be used.
template <typename T>
struct aligned_allocator
{
  using value_type = T;
  T* allocate(std::size_t num)
  {
    void* ptr = nullptr;
    if (posix_memalign(&ptr,4096,num*sizeof(T)))
      throw std::bad_alloc();
    return reinterpret_cast<T*>(ptr);
  }
  void deallocate(T* p, std::size_t num)
  {
    free(p);
  }
};


#define OCL_CHECK(error,call)                                       \
    call;                                                           \
    if (error != CL_SUCCESS) {                                      \
      printf("%s:%d Error calling " #call ", error code is: %d\n",  \
              __FILE__,__LINE__, error);                            \
      exit(EXIT_FAILURE);                                           \
    }

namespace xcl {
std::vector<cl::Device> get_devices(const std::string& vendor_name) {

    size_t i;
    cl_int err;
    std::vector<cl::Platform> platforms;
    OCL_CHECK(err, err = cl::Platform::get(&platforms));
    cl::Platform platform;
    for (i  = 0 ; i < platforms.size(); i++){
        platform = platforms[i];
        OCL_CHECK(err, std::string platformName = platform.getInfo<CL_PLATFORM_NAME>(&err));
        if (platformName == vendor_name){
            std::cout << "Found Platform" << std::endl;
            std::cout << "Platform Name: " << platformName.c_str() << std::endl;
            break;
        }
    }
    if (i == platforms.size()) {
        std::cout << "Error: Failed to find Xilinx platform" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //Getting ACCELERATOR Devices and selecting 1st such device
    std::vector<cl::Device> devices;
    OCL_CHECK(err, err = platform.getDevices(CL_DEVICE_TYPE_ACCELERATOR, &devices));
    return devices;
}

std::vector<cl::Device> get_xil_devices() {
    return get_devices("Xilinx");
}

char* read_binary_file(const std::string &xclbin_file_name, unsigned &nb)
{
    std::cout << "INFO: Reading " << xclbin_file_name << std::endl;

    if(access(xclbin_file_name.c_str(), R_OK) != 0) {
        printf("ERROR: %s xclbin not available please build\n", xclbin_file_name.c_str());
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //Loading XCL Bin into char buffer
    std::cout << "Loading: '" << xclbin_file_name.c_str() << "'\n";
    std::ifstream bin_file(xclbin_file_name.c_str(), std::ifstream::binary);
    bin_file.seekg (0, bin_file.end);
    nb = bin_file.tellg();
    bin_file.seekg (0, bin_file.beg);
    char *buf = new char [nb];
    bin_file.read(buf, nb);
    return buf;
}
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    long x, y;
    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;
    int32_t blue, green, red;
    const char* xclbinFilename;
    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > ins_soft;
    hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> > outs_soft;
    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    ap_axis<32,1,1,1> vals_soft;

    if (argc==2) {
        xclbinFilename = argv[1];
        std::cout <<"Using FPGA binary file specfied through the command line: " << xclbinFilename << std::endl;
    }
    else {
        xclbinFilename = "../streaming_lap_filter.xclbin";
        std::cout << "No FPGA binary file specified through the command line, using:" << xclbinFilename <<std::endl;
    }

    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(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfSize, sizeof(uint32_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(uint16_t), 1, fbmpr);
    fread(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(uint32_t), 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
    std::vector<int32_t,aligned_allocator<int32_t>> rd_bmp(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight);
    std::vector<int32_t,aligned_allocator<int32_t>> hw_lapd(bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight);
    size_t size_in_bytes = (bmpihr.biWidth * bmpihr.biHeight) * sizeof(int32_t);

    // 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 (y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (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);

    std::vector<cl::Device> devices = xcl::get_xil_devices();
    cl::Device device = devices[0];
    devices.resize(1);


    // Creating Context and Command Queue for selected device
    cl::Context context(device);
    cl::CommandQueue q(context, device, CL_QUEUE_PROFILING_ENABLE);

    // Load xclbin
    printf("a"); fflush(stdout);
    std::cout << "Loading: '" << xclbinFilename << "'\n";
    printf("b"); fflush(stdout);

    std::ifstream bin_file(xclbinFilename, std::ifstream::binary);
    printf("b"); fflush(stdout);
    bin_file.seekg (0, bin_file.end);
    printf("b"); fflush(stdout);
    unsigned nb = bin_file.tellg();
    printf("b"); fflush(stdout);
    bin_file.seekg (0, bin_file.beg);
    printf("b"); fflush(stdout);
    char *buf = new char [nb];
    bin_file.read(buf, nb);
    printf("b"); fflush(stdout);

    // Creating Program from Binary File
    cl::Program::Binaries bins;
    bins.push_back({buf,nb});
    cl::Program program(context, devices, bins);
    printf("b"); fflush(stdout);

    // This call will get the kernel object from program. A kernel is an
    // OpenCL function that is executed on the FPGA.
    cl::Kernel krnl_dma_read(program,"dma_read");
    cl::Kernel krnl_lap_filter(program,"krnl_lap_filter");
    cl::Kernel krnl_dma_write(program,"dma_write");
    printf("c"); fflush(stdout);

    // These commands will allocate memory on the Device. The cl::Buffer objects can
    // be used to reference the memory locations on the device.
    cl::Buffer rd_bmp_buf(context, CL_MEM_USE_HOST_PTR | CL_MEM_READ_ONLY,
            size_in_bytes, rd_bmp.data());
    cl::Buffer hw_lapd_buf(context, CL_MEM_USE_HOST_PTR | CL_MEM_READ_WRITE,
            size_in_bytes, hw_lapd.data());

    //set the kernel Arguments
    krnl_dma_read.setArg(0,rd_bmp_buf);
    krnl_dma_read.setArg(2,bmpihr.biWidth);
    krnl_dma_read.setArg(3,bmpihr.biHeight);

    krnl_lap_filter.setArg(2,bmpihr.biWidth);
    krnl_lap_filter.setArg(3,bmpihr.biHeight);

    krnl_dma_write.setArg(1,hw_lapd_buf);
    krnl_dma_write.setArg(2,bmpihr.biWidth);
    krnl_dma_write.setArg(3,bmpihr.biHeight);
    printf("e"); fflush(stdout);

    // Data will be transferred from system memory over PCIe to the FPGA on-board
    // DDR memory.
    q.enqueueMigrateMemObjects({rd_bmp_buf},0/* 0 means from host*/);
    printf("d"); fflush(stdout);

    struct timeval start_time, end_time;
    gettimeofday(&start_time, NULL);

    //Launch the Kernel
    q.enqueueTask(krnl_dma_read);
    q.enqueueTask(krnl_lap_filter);
    q.enqueueTask(krnl_dma_write);
    printf("f"); fflush(stdout);

    q.finish();
    printf("h"); fflush(stdout);

    q.finish();
    printf("h"); fflush(stdout);


    // The result of the previous kernel execution will need to be retrieved in
    // order to view the results. This call will transfer the data from FPGA to
    // source_results vector
    q.enqueueMigrateMemObjects({hw_lapd_buf},CL_MIGRATE_MEM_OBJECT_HOST);
    printf("g"); fflush(stdout);

    q.finish();
    printf("h"); fflush(stdout);

    // 時間計測
    gettimeofday(&end_time, NULL);
    printf("i"); fflush(stdout);

    if (end_time.tv_usec < start_time.tv_usec) {
        printf("total time = %ld.%06ld sec\n", end_time.tv_sec - start_time.tv_sec - 1, 1000000 + end_time.tv_usec - start_time.tv_usec);
    }
    else {
        printf("total time = %ld.%06ld sec\n", end_time.tv_sec - start_time.tv_sec, end_time.tv_usec - start_time.tv_usec);
    }

    // ソフトウェアとハードウェアのチェック
    // ins_soft に入力データを用意する
    for(int i=0; i<5; i++){ // dummy data
       pix.user = 0;
        pix.data = int32_t(i);
        ins_soft << pix;
    }

    for(int j=0; j < bmpihr.biHeight; j++){
        for(int i=0; i < bmpihr.biWidth; i++){
            pix.data = rd_bmp[(j*bmpihr.biWidth)+i];

            if (j==0 && i==0)   // 最初のデータの時に TUSER を 1 にする
                pix.user = 1;
            else
                pix.user = 0;

            if (i == bmpihr.biWidth-1) // 行の最後でTLASTをアサートする
                pix.last = 1;
            else
                pix.last = 0;

            ins_soft << pix;
        }
    }
    lap_filter_axis_soft(ins_soft, outs_soft, bmpihr.biWidth, bmpihr.biHeight); // ソフトウェアのラプラシアン・フィルタ

    // ハードウェアとソフトウェアのラプラシアン・フィルタの値のチェック
    for (y=0; y<bmpihr.biHeight; y++){
        for (x=0; x<bmpihr.biWidth; x++){
            outs_soft >> vals_soft;
            if (hw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x] != vals_soft.data){
                printf("ERROR HW and SW results mismatch x = %ld, y = %ld, HW = %d, SW = %d\n", x, y, int(hw_lapd[y*bmpihr.biWidth+x]), int(vals_soft.data));
                //return(1);
            }
        }
    }
    printf("Success HW and SW results match\n");

    // ハードウェアのラプラシアンフィルタの結果を temp_lap.bmp へ出力する
    if ((fbmpw=fopen("temp_lap.bmp", "wb")) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't open temp_lap.bmp by binary write mode\n");
        exit(1);
    }
    // BMPファイルヘッダの書き込み
    fwrite(&bmpfhr.bfType, sizeof(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfSize, sizeof(uint32_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved1, sizeof(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfReserved2, sizeof(uint16_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpfhr.bfOffBits, sizeof(uint32_t), 1, fbmpw);
    fwrite(&bmpihr, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fbmpw);

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

            fputc(blue, fbmpw);
            fputc(green, fbmpw);
            fputc(red, fbmpw);
        }
    }
    fclose(fbmpw);

    return(0);
}

int lap_filter_axis_soft(hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& ins, hls::stream<ap_axis<32,1,1,1> >& outs, int32_t width, int32_t height){
    ap_axis<32,1,1,1> pix;
    ap_axis<32,1,1,1> lap;
    int32_t **line_buf;
    int32_t pix_mat[3][3];
    int32_t lap_fil_val;
    int32_t i;

    // line_buf の1次元目の配列をアロケートする
    if ((line_buf =(int32_t **)malloc(sizeof(int32_t *) * 2)) == NULL){
        fprintf(stderr, "Can't allocate line_buf[3][]\n");
        exit(1);
    }

    // メモリをアロケートする
    for (i=0; i<2; i++){
        if ((line_buf[i]=(int32_t *)malloc(sizeof(int32_t) * width)) == NULL){
            fprintf(stderr, "Can't allocate line_buf[%d]\n", i);
            exit(1);
        }
    }

    do {    // user が 1になった時にフレームがスタートする
        ins >> pix;
    } while(pix.user == 0);

    for (int y=0; y<height; y++){
        for (int x=0; x<width; x++){
            if (!(x==0 && y==0))    // 最初の入力はすでに入力されている
                ins >> pix; // AXI4-Stream からの入力

            for (int k=0; k<3; k++){
                for (int m=0; m<2; m++){
                    pix_mat[k][m] = pix_mat[k][m+1];
                }
            }
            pix_mat[0][2] = line_buf[0][x];
            pix_mat[1][2] = line_buf[1][x];

            int32_t y_val = conv_rgb2y_soft(pix.data);
            pix_mat[2][2] = y_val;

            line_buf[0][x] = line_buf[1][x];    // 行の入れ替え
            line_buf[1][x] = y_val;

            lap_fil_val = laplacian_fil_soft(    pix_mat[0][0], pix_mat[0][1], pix_mat[0][2],
                                        pix_mat[1][0], pix_mat[1][1], pix_mat[1][2],
                                        pix_mat[2][0], pix_mat[2][1], pix_mat[2][2]);
            lap.data = (lap_fil_val<<16)+(lap_fil_val<<8)+lap_fil_val; // RGB同じ値を入れる

            if (x<2 || y<2) // 最初の2行とその他の行の最初の2列は無効データなので0とする
                lap.data = 0;

            if (x==0 && y==0) // 最初のデータでは、TUSERをアサートする
                lap.user = 1;
            else
                lap.user = 0;

            if (x == (width-1))    // 行の最後で TLAST をアサートする
                lap.last = 1;
            else
                lap.last = 0;

            outs << lap;    // AXI4-Stream へ出力
        }
    }

    for (i=0; i<2; i++)
        free(line_buf[i]);
    free(line_buf);

    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
int32_t conv_rgb2y_soft(int32_t rgb){
    int32_t r, g, b, y_f;
    int32_t 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
int32_t laplacian_fil_soft(int32_t x0y0, int32_t x1y0, int32_t x2y0, int32_t x0y1, int32_t x1y1,
        int32_t x2y1, int32_t x0y2, int32_t x1y2, int32_t x2y2)
{
    int32_t y;

    y = -x0y0 -x1y0 -x2y0 -x0y1 +8*x1y1 -x2y1 -x0y2 -x1y2 -x2y2;
    if (y<0)
        y = 0;
    else if (y>255)
        y = 255;
    return(y);
}

  1. 2020年02月04日 04:47 |
  2. Vitis
  3. | トラックバック:0
  4. | コメント:0

コメント

コメントの投稿


管理者にだけ表示を許可する

トラックバック URL
https://marsee101.blog.fc2.com/tb.php/4782-3c3e4167
この記事にトラックバックする(FC2ブログユーザー)