エミュレーションの実行

概要

ビデオ ストリーミングやイーサネット ベースのアプリケーションなどの一部のユーザーアプリケーションでは、プラットフォーム上の I/O ポートを使用して、プラットフォームを出入りするデータをストリーミングします。これらのアプリケーションの場合、デザインのハードウェア エミュレーションを実行するには、I/O ポートのハードウェア動作を模倣して、ポートを通過するデータ トラフィックをシミュレーションするメカニズムが必要です。I/O トラフィック ジェネレーターを使用すると、Vitis アプリケーション アクセラレーション開発フローのハードウェア エミュレーション中、または Vivado Design Suite のロジック シミュレーション中に、I/O ポートを通過するトラフィックをモデル化できます。

デザインへのトラフィック ジェネレーターの追加

ザイリンクス デバイスには豊富な I/O インターフェイスがあります。Alveo アクセラレータ カードには、独自のモデルを持つ PCIe および DDR メモリ インターフェイスがあります。ただし、プラットフォームに GT カーネル ベースの汎用 I/O、ビデオ ストリーム、センサー データなどのほかの I/O が含まれることもあります。I/O トラフィック ジェネレーター カーネルを使用すると、シミュレーション中にプラットフォームとアプリケーションが I/O にトラフィックを挿入できるようになります。

このソリューションでは、ストリーミング I/O カーネル (XO) または IP の両方をデザインに含める必要があるほか、ザイリンクスの提供する Python または C++ API を使用して、トラフィックを挿入したり、エミュレーション プロセスからの出力データを取り込んだりする必要があります。ザイリンクスの提供する Python または C++ ライブラリを使用すると、トラフィック ジェネレーター コードをアプリケーションに統合し、別のプロセスとして実行し、エミュレーション プロセスとインターフェイスさせることができます。現在のところ、ザイリンクスでは、ストリーミング I/O を模倣する AXI4-Stream レベルでのインターフェイスをイネーブルにするライブラリを提供しています。

ストリーミング I/O モデルを使用すると、プラットフォーム上のストリーミング トラフィックをエミュレーションしたり、遅延モデリングをサポートしたりできます。アプリケーションにストリーミング I/O を追加することも、次に説明するようにカスタムプラットフォーム デザインに追加することもできます。

• ストリーミング I/O カーネルはほかのコンパイル済みカーネル オブジェクト (XO) ファイルと同様、v++ --link コマンドを使用してデバイス バイナリ (XCLBIN) ファイルに追加できます。Vitis インストールには、さまざまなデータ幅の AXI4-Stream インターフェイス用のカーネルが含まれます。これらは、ソフトウェアのインストール ディレクトリの $XILINX_VITIS/data/emulation/XO に含まれます。

  次のコマンド例を使用して、これらをデザインに追加します。

  v++ -t hw_emu --link $XILINX_VITIS/data/emulation/XO/sim_ipc_axis_master_32.xo $XILINX_VITIS/data/emulation/XO/sim_ipc_axis_slave_32.xo ... 

  上記の例では、sim_ipc_axis_master_32.xo および sim_ipc_axis_slave_32.xo が 32 ビットのマスターおよびスレーブ カーネルを提供し、ターゲット プラットフォームおよびデザイン内のほかのカーネルとリンクしてハードウェア エミュレーション ビルド用の .xclbin ファイルを作成可能にしています。

• また、Versal および Zynq UltraScale+ MPSoC カスタム プラットフォームの Vivado IP インテグレーター機能を使用して、IPC モジュールをプラットフォーム ブロック デザインに追加することもできます。このツールには、プラットフォーム デザインに追加する sim_ipc_axis_master_v1_0 および sim_ipc_axis_slave_v1_0 IP が含まれます。これらは、ソフトウェアのインストール ディレクトリの $XILINX_VIVADO/data/emulation/hw_em/ip_repo に含まれます。

  次に、IPC IP をプラットフォーム デザインに追加する Tcl スクリプトの例を示します。このスクリプトを使用すると、Python または C++ で記述された外部プロセスからシミュレーションにデータ トラフィックを挿入できます。

  #Update IP Repository path if required
  set_property  ip_repo_paths $XILINX_VIVADO/data/emulation/hw_em/ip_repo [current_project]
  ## Add AXIS Master
  create_bd_cell -type ip -vlnv xilinx.com:ip:sim_ipc_axis_master:1.0 sim_ipc_axis_master_0
  #Change Model Property if required
  set_property -dict [list CONFIG.C_M00_AXIS_TDATA_WIDTH {64}] [get_bd_cells sim_ipc_axis_master_0]
  
  ##Add AXIS Slave
  create_bd_cell -type ip -vlnv xilinx.com:ip:sim_ipc_axis_slave:1.0 sim_ipc_axis_slave_0
  #Change Model Property if required
  set_property -dict [list CONFIG.C_S00_AXIS_TDATA_WIDTH {64}] [get_bd_cells sim_ipc_axis_slave_0]

Python でのトラフィック ジェネレーターの記述

I/O トラフィック ジェネレーターでデータ トラフィックを生成するため、またはエミュレーション プロセスから出力データを取り込むためには、アプリケーションをシミュレーションするときにトラフィック ジェネレーター プロセスも含める必要があります。ザイリンクスの提供する Python または C++ ライブラリを使用すると、次に説明するようにトラフィック ジェネレーター コードを作成できます。

• Python の場合は、コマンド ターミナルで $PYTHONPATH を次のように設定します。

  setenv PYTHONPATH $XILINX_VIVADO/data/emulation/hw_em/lib/python:\
  $XILINX_VIVADO/data/python/xtlm_ipc/xtlm_ipc_v1_0

• gt_master インスタンスに接続する Python コードの例は、次のようになります。

  Blocking Send
  from xilinx_xtlm import ipc_axis_master_util
  from xilinx_xtlm import xtlm_ipc
  import struct
   
  import binascii
    
  #Instantiating AXI Master Utilities
  master_util = ipc_axis_master_util("gt_master")
    
  #Create payload
  payload = xtlm_ipc.axi_stream_packet()
  payload.data = "BINARY_DATA" # One way of getting "BINARY_DATA" from integer can be like payload.data = bytes(bytearray(struct.pack("i", int_number))) More info @ https://docs.python.org/3/library/struct.html
  payload.tlast = True #AXI Stream Fields
  #Optional AXI Stream Parameters
  payload.tuser = "OPTIONAL_BINARY_DATA"
  payload.tkeep = "OPTIONAL_BINARY_DATA"
    
  #Send Transaction
  master_util.b_transport(payload)
  master_util.disconnect() #Disconnect connection between Python & Emulation

• gt_slave インスタンスに接続する Python コードの例は、次のようになります。

  Blocking Receive
  from xilinx_xtlm import ipc_axis_slave_util
  from xilinx_xtlm import xtlm_ipc
    
  #Instantiating AXI Slave Utilities
  slave_util = ipc_axis_slave_util("gt_slave")
    
    
  #Sample payload (Blocking Call)
  payload = slave_util.sample_transaction()
  slave_util.disconnect() #Disconnect connection between Python & Emulation

C++ でのトラフィック ジェネレーターの記述

• C++ の場合、API は $XILINX_VIVADO/data/cpp/xtlm_ipc/xtlm_ipc_v1_0/src/ にあります。C++ API は、ブロッキング関数とノンブロッキング関数の両方をサポートします。次のコード部分は、その使用方法を示しています。
  ヒント: 実行ファイルを生成するサンプル Makefile もあります。
• ブロッキング送信:

  #include "xtlm_ipc.h" //Include file
   
  void send_packets()
  {
      //! Instantiate IPC socket with name matching in IPI diagram...
      xtlm_ipc::axis_initiator_socket_util<xtlm_ipc::BLOCKING> socket_util("gt_master");
   
      const unsigned int NUM_TRANSACTIONS = 8;
      xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
   
      std::cout << "Sending " << NUM_TRANSACTIONS << " Packets..." <<std::endl;
      for(int i = 0; i < NUM_TRANSACTIONS; i++) {
          xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
          // generate_data() is your custom code to generate traffic 
          std::vector<char> data = generate_data();
          //! Set packet attributes...
          packet.set_data(data.data(), data.size());
          packet.set_data_length(data.size());
          packet.set_tlast(1);
          //Additional AXIS attributes can be set if required
          socket_util.transport(packet); //Blocking transport API to send the transaction
      }
  }

• ブロッキング受信:

  #include "xtlm_ipc.h"
   
  void receive_packets()
  {
      //! Instantiate IPC socket with name matching in IPI diagram...
      xtlm_ipc::axis_target_socket_util<xtlm_ipc::BLOCKING> socket_util("gt_slave");
   
      const unsigned int NUM_TRANSACTIONS = 8;
      unsigned int num_received = 0;
      xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
   
      std::cout << "Receiving " << NUM_TRANSACTIONS << " packets..." <<std::endl;
      while(num_received < NUM_TRANSACTIONS) {
          socket_util.sample_transaction(packet); //API to sample the transaction
          //Process the packet as per requirement.
          num_received += 1;
      }
  }

• ノンブロッキング送信:

  #include <algorithm>    // std::generate
  #include "xtlm_ipc.h"
   
  //A sample implementation of generating random data.
  xtlm_ipc::axi_stream_packet generate_packet()
  {
      xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
      // generate_data() is your custom code to generate traffic
      std::vector<char> data = generate_data();
   
      //! Set packet attributes...
      packet.set_data(data.data(), data.size());
      packet.set_data_length(data.size());
      packet.set_tlast(1);
      //packet.set_tlast(std::rand()%2);
      //! Option to set tuser tkeep optional attributes...
   
      return packet;
  }
   
  void send_packets()
  {
      //! Instantiate IPC socket with name matching in IPI diagram...
      xtlm_ipc::axis_initiator_socket_util<xtlm_ipc::NON_BLOCKING> socket_util("gt_master"); 
      // Instantiate Non Blocking specialization
   
      const unsigned int NUM_TRANSACTIONS = 8;
      xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
   
      std::cout << "Sending " << NUM_TRANSACTIONS << " Packets..." <<std::endl;
      for(int i = 0; i < NUM_TRANSACTIONS; i++) {
          packet = generate_packet(); // Or user's test patter / live data etc.
          socket_util.transport(packet);
      }
  }

• ノンブロッキング受信:

  #include <unistd.h>
  #include "xtlm_ipc.h"
   
  void receive_packets()
  {
      //! Instantiate IPC socket with name matching in IPI diagram...
      xtlm_ipc::axis_target_socket_util<xtlm_ipc::NON_BLOCKING> socket_util("gt_slave");
   
      const unsigned int NUM_TRANSACTIONS = 8;
      unsigned int num_received = 0, num_outstanding = 0;
      xtlm_ipc::axi_stream_packet packet;
   
      std::cout << "Receiving " << NUM_TRANSACTIONS << " packets..." <<std::endl;
      while(num_received < NUM_TRANSACTIONS) {
          num_outstanding = socket_util.get_num_transactions();
          num_received += num_outstanding;
           
          if(num_outstanding != 0) {
              std::cout << "Outstanding packets = "<< num_outstanding <<std::endl;
              for(int i = 0; i < num_outstanding; i++) {
                  socket_util.sample_transaction(packet);
                  print(packet);
              }
          }
          usleep(100000); //As transaction is non-blocking we would like to give some delay between consecutive samplings
      }
  }

• 次は、上記のブロッキング受信の Makefile の例です。

  GCC=/usr/bin/g++
  IPC_XTLM=$(XILINX_VIVADO)/data/cpp/xtlm_ipc/xtlm_ipc_v1_0/src/
  PROTO_PATH=$(XILINX_VIVADO)/data/simmodels/xsim/2020.2/lnx64/6.2.0/ext/protobuf/
  BOOST=$(XILINX_VIVADO)/tps/boost_1_64_0/
   
  SRC_FILE=b_receive.cpp
  .PHONY: run all
   
  default: all
   
  all : b_receive
   
  b_receive: $(SRC_FILE)
      $(GCC)   $(SRC_FILE) $(IPC_XTLM)xtlm_ipc.pb.cc -I$(IPC_XTLM)/ -I$(PROTO_PATH)/include/ -L$(PROTO_PATH) -lprotobuf -o $@ -lpthread -I$(BOOST)/
  

トラフィック ジェネレーターの実行

$XILINX_VIVADO/data/cpp/xtlm_ipc/xtlm_ipc_v1_0/src/ にあるライブラリを使用して、上記のように外部プロセス バイナリを生成したら、次の手順を使用してエミュレーションを実行できます。

1. 標準プロセスを使用する Vitis ハードウェア エミュレーションまたは Vivado シミュレーションを起動し、シミュレーションが開始されるのを待ちます。
2. 別のターミナルから、 Python や C++ などの外部プロセスを起動します。