FPGA OS

รันไทม์ระบบปฏิบัติการสำหรับแอปพลิเคชัน FPGA

ลิขสิทธิ์ (C) 2018-2020, Wuklab, UCSD

นี่คือระบบปฏิบัติการ (OS) ที่ทำงานอยู่ภายใน FPGA ที่ให้บริการระบบปฏิบัติการระบบปฏิบัติการที่คุ้นเคย (เช่น MM, Sched, NET) สำหรับแอปพลิเคชัน FPGA นี่คือต้นแบบการวิจัยระยะแรกที่ไม่เป็นทางการ รหัสส่วนใหญ่เขียนใน Xilinx HLS มันได้รับการทดสอบใน VCU118 และ VCU108

มันถูกเปิดเผยสู่สาธารณะเพื่อจุดประสงค์ทางการศึกษา หวังว่าคุณจะพบว่ามีประโยชน์

หลักการขององค์กร Codebase

• ทำให้แต่ละโฟลเดอร์ย่อยเป็น IP ด้วยตัวเอง ซึ่งหมายความว่าควรมีสคริปต์ของตัวเองรหัส RTL หรือ HLS และ TestBench
• ลำดับชั้น IPS จะมีการพึ่งพา เราจำเป็นต้องแสดงคำสั่งซื้ออย่างชัดเจนในสคริปต์อาคารที่สอดคล้องกัน
• โครงการขนาดใหญ่สุดท้ายควรแสดงในไดอะแกรมหรือรหัส RTL แบบคงที่ที่จุดสูงสุดของคอร์ IP ขนาดเล็ก
• โดยรวมแล้วโครงการนี้จะประกอบด้วย IP ขนาดเล็กจำนวนมากและจะถูกใช้ภายในเพื่อสร้างโครงการขนาดใหญ่ เป้าหมายของเราคือสามารถนำ IPS กลับมาใช้ใหม่ได้มากที่สุดและสามารถสร้าง IPS ใหม่ได้อย่างง่ายดาย

ไดเรกทอรี codebase

• ด้านโฮสต์:
  • host/ : สแต็กเครือข่ายโฮสต์และไดรเวอร์ DMA
• ด้าน FPGA:
  • alloc/ : allocator หน่วยความจำ
  • mm/ : การจัดการหน่วยความจำ
  • net/ : ระบบย่อยเครือข่าย
  • kernel/ : รหัสที่เกี่ยวข้องกับการประชาสัมพันธ์บางส่วน
  • system/ : ระบบบูรณาการขนาดใหญ่สุดท้าย
• ทั้งสองโลก:
  • app/ : แอปพลิเคชันสามารถมีทั้ง FPGA และรหัสโฮสต์
  • include/ : ไฟล์ส่วนหัวที่ใช้โดยทั้ง FPGA และรหัสโฮสต์ เช่นส่วนหัวเครือข่าย
    • include/fpga : ส่วนหัวที่ใช้โดย HLS เท่านั้น
    • include/uapi : ส่วนหัวที่ใช้โดยทั้ง HLS และรหัสโฮสต์
• ผู้ช่วย
  • tools/ : ผู้ช่วยที่หลากหลาย
  • scripts/ : ไฟล์สคริปต์เทมเพลต
• ที่สร้างขึ้น
  • generated_ip/ : IPS ที่สร้างขึ้นทั้งหมดที่นี่
  • generated_hls_project/ : โครงการ Vivado HLS
  • generated_vivado_project/ : โครงการ Vivado

รูปแบบ:

• ทั่วไป
  • ทำให้คุณอ่านได้สำหรับผู้อื่น
  • ลบช่องว่างและแท็บตอนจบ
  • ลองใช้รูปแบบการเข้ารหัสเคอร์เนล Linux
• Vivado HLS
  • สคริปต์ Vivado HLS ทั้งหมดใช้ชื่อ run_hls.tcl
• verilog
• ip
  • ชื่อ IP ประกอบด้วย ใช้ชื่อระบบย่อยเป็นคำนำหน้า เช่น mm_axi_wrapper เป็น AXI Wrapper IP ภายใต้ระบบย่อย MM

บทเรียน

Howto Build

• พิมพ์ make help เพื่อดูคำอธิบายโดยละเอียด
• make ที่ระดับบนสุดจะรวบรวมโครงการทั้งหมดโดยใช้บอร์ดเริ่มต้น
  • เคอร์เนล IPS จะถูกรวบรวมก่อน
  • ระบบขนาดใหญ่อาศัยอยู่ใน system/ โฟลเดอร์
• ประเภท make ในแต่ละโฟลเดอร์ย่อยจะรวบรวมโฟลเดอร์นั้นเท่านั้น

เวิร์กโฟลว์: คุณควรรวบรวมโครงการเมื่อคุณดาวน์โหลดซอร์สโค้ดเป็นครั้งแรก IPS ขนาดเล็กขนาดกลางและโครงการขนาดใหญ่ทั้งหมดจะพร้อมใช้งาน หลังจากนี้คุณสามารถมุ่งเน้นไปที่ IPS ที่คุณกำลังสร้าง การเปลี่ยนแปลงจะปรากฏขึ้นโดยอัตโนมัติภายใน Vivado

นอกจากนี้ให้ความสนใจกับบอร์ดที่คุณกำหนดเป้าหมาย

วิธีใช้สคริปต์ Vivado

เป้าหมายของการใช้สคริปต์คือสองเท่า

• ทำให้กระบวนการอาคารง่ายขึ้น
• ใช้ GIT เพื่อติดตามไฟล์ต้นฉบับเท่านั้น เพราะโดยค่าเริ่มต้น Vivado จะสร้างไฟล์พวงและทั้งหมดไม่ควรติดตามโดย Git ในโครงการนี้ไฟล์ที่เกี่ยวข้องกับโหมดโครงการ Vivado ทั้งหมดจะถูกวางไว้ภายใต้โฟลเดอร์ generated_vivado_project/ โฟลเดอร์ที่โฟลเดอร์เดียวกันกับที่สคริปต์และซอร์สโค้ดที่เกี่ยวข้องอยู่

สคริปต์โหมดโครงการ Vivado เหล่านั้นสร้างขึ้นโดย Vivado เอง และสคริปต์เหล่านั้นสามารถใช้ในการสร้างโครงการทั้งหมดใหม่ตามที่เป็นอยู่

นี่คือขั้นตอนที่ไม่เป็นทางการของฉันในการสร้างและแฮ็คสคริปต์เหล่านั้น:

วิ่ง:

• เรียกใช้สคริปต์:
  • vivado -mode tcl -source run_vivado.tcl
    • generated_vivado_project/ จะถูกสร้างขึ้นที่โฟลเดอร์ปัจจุบัน
    • IP ใหม่จะได้รับการบรรจุและส่งออกไปยัง generated_ip/ Folder
  • หากคุณไม่ต้องการพิมพ์ทุกครั้งให้ใช้เทมเพลต makefile

การสร้าง:

• สร้างสคริปต์ระดับบนสุด:
  • ใช้ Vivado GUI เพื่อสร้างโครงการใหม่เพิ่มแหล่งที่มีอยู่/TB/XDC ตั้งค่าส่วนหนึ่ง
  • ใช้ write_project_tcl เพื่อสร้างสคริปต์ คุณควรแจ้งให้สคริปต์ใหม่ทราบว่าควรจะวางโครงการที่จะนำไปใช้ใหม่ภายใต้ภายใต้ Folder's generated_vivado_project และคุณควรตั้งชื่อสคริปต์เป็น run_vivado.tcl
  • หากไม่มีการออกแบบบล็อกไดอะแกรม (BD) ภายในโครงการให้ใช้: write_project_tcl -force -no_copy_sources -target_proj_dir ./generated_vivado_project ./run_vivado.tcl
  • หากมีการออกแบบ BD ภายในโครงการให้ใช้: write_project_tcl -force -target_proj_dir ./generated_vivado_project ./run_vivado.tcl

สับ:

• เพิ่มเส้นทาง IP ลงในสคริปต์ระดับบนสุด:

  • สิ่งนี้ควรเพิ่มในทุกสคริปต์
  • IPs ที่สร้างขึ้นทั้งหมดของเราทั้งหมดอยู่ใน generated_ip/ โฟลเดอร์ สิ่งนี้ทำให้การติดตาม IP ง่ายขึ้น คุณสามารถเพิ่มบรรทัดลงในสคริปต์เพื่อให้ Vivado รู้ว่าจะหา IP ใหม่ได้ที่ไหน ตรวจสอบ scripts/template_vivado_ip.tcl สำหรับบรรทัดเหล่านั้น

• แพ็คเกจ IP โดยอัตโนมัติ:

  • สิ่งนี้ควรเพิ่มในทุกสคริปต์
  • เราต้องการให้สคริปต์ไปยังแพ็คเกจ IP โดยอัตโนมัติ สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเพิ่มไม่กี่บรรทัดในตอนท้ายของสคริปต์ โปรดทราบว่าคุณต้องระบุตำแหน่งปลายทางชื่อของ IP และอื่น ๆ IPs ที่สร้างขึ้นทั้งหมดของเราทั้งหมดอยู่ใน generated_ip/ ตัวอย่างเช่น ipx::package_project -root_dir ../../generated_ip/mm_axi_wrapper -vendor wuklab -library user -taxonomy UserIP -import_files -set_current false -force
  • แพ็คเกจ A BD เป็น IP: ipx::package_project -root_dir ../../generated_ip/mm_axi_rab_vcu118 -vendor wuklab -library user -taxonomy UserIP -module THE_BD_NAME -import_files

• เพิ่มไฟล์ Source/XDC/Simulation เพิ่มเติม:

  • การแก้ปัญหาแรกเปลี่ยนสคริปต์ที่สร้างขึ้นด้วยตนเอง ลองค้นหาว่ามีการเพิ่มไฟล์ที่มีอยู่แล้วคุณสามารถแก้ไขสคริปต์ในลักษณะเดียวกันได้อย่างไร เคล็ดลับ: ค้นหา top.v , add_files ฯลฯ
  • วิธีแก้ปัญหาที่สองเพิ่มไฟล์ผ่าน Vivado GUI จากนั้นใช้ write_project_tcl อีกครั้งเพื่อสร้างสคริปต์อื่น จากนั้นตรวจสอบความแตกต่าง

• เสื้อคลุม BD Autogenerate

  • จะต้องเพิ่มหากการออกแบบระดับบนสุดเป็น BD
  • เหตุผลคือ: หาก BD มีอินเทอร์เฟซ AXI, AXI นี้จะต้องมีคุณสมบัติความถี่ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (ไม่ได้หมายความว่ามันจะต้องทำงานบนนี้เพียงแค่คุณสมบัติ) โดยค่าเริ่มต้นคือ 100 MHz หาก IP ถูกสร้างขึ้นจาก BD นี้และใช้โดย IP ที่ใหญ่กว่าความถี่นี้จะไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ซึ่งไม่แน่นอนมาก อย่างไรก็ตามหากเราสร้าง wrapper สำหรับ BD และจัดทำแพ็คเกจโครงการทั้งหมดเป็น IP แล้วคุณสมบัติความถี่สามารถอัปเดตโดยอัตโนมัติในระหว่างการรวม IP

• การตั้งค่าอื่น ๆ :

  • สำคัญ!
  • ไม่ว่าคุณจะเปลี่ยนแปลงอะไรก็ตามที่ผ่าน Vivado GUI (เช่นการรวบรวมคำสั่งซื้อ XDC, ไฟล์จำลองจำลอง) และหากคุณต้องการบันทึกไว้เพื่อให้ผู้อื่นใช้คุณต้องใช้ write_project_tcl เพื่อสร้างสคริปต์ใหม่และบันทึกการเปลี่ยนแปลงที่เกี่ยวข้อง เมื่อคุณคุ้นเคยกับคำสั่ง Vivado คุณควรจะสามารถทำด้วยตนเองได้ด้วยการเปลี่ยนสคริปต์

ข้อแม้:

• ตรวจสอบสคริปต์ที่สร้างขึ้น
  • ตรวจสอบว่ามีการใช้ไฟล์ต้นฉบับภายในโฟลเดอร์ Vivado Auto ที่สร้างขึ้นในสคริปต์หรือไม่ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากใช้ write_project_tcl ไม่ถูกต้อง การมีไฟล์ที่สร้างขึ้นอัตโนมัติเป็นหลักเท่ากับปัญหาไก่และไข่

สำหรับตอนนี้คุณสามารถค้นหาสคริปต์ตัวอย่างได้ที่ mm/axi_wrapper/run_vivado.tcl และ mm/sys/run_vivado.tcl

Howto จัดการเวอร์ชัน IP

Vivado รองรับเพียงหนึ่งเวอร์ชัน IP ในแต่ละเวอร์ชัน มันเป็นตัวตนที่ดีมากถ้าเราใช้สคริปต์ที่สร้างขึ้น โชคดีที่มีวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา รหัสต่อไปนี้แทนที่สตริง IP ด้วยตัวแปร อย่างไรก็ตามระวังหาก IP ที่อัปเดตมีพอร์ตที่แตกต่างกัน

 set axis_data_fifo [get_ipdefs -filter NAME==axis_data_fifo]
Replace all `xilinx.com:ip:axis_data_fifo:1.1` with `$axis_data_fifo

Howto ใช้สคริปต์ Vivado HLS

สคริปต์ Vivado HLS นั้นค่อนข้างง่ายกว่าสคริปต์ Vivado คุณสามารถค้นหาสคริปต์เทมเพลตใน scripts/template_run_hls.tcl คุณควรปรับแต่งชิ้นส่วนไฟล์ที่เพิ่มความถี่และดังนั้น หากคุณต้องการสร้าง HL หลายตัวโดยอัตโนมัติภายใต้โฟลเดอร์เดียวกันให้ใช้ scripts/template_generate_hls.sh

การอ้างอิง

• UG1118 Vivado การสร้างและบรรจุภัณฑ์ที่กำหนดเอง IP