Vitis初探—1.将设计从SDSoC/Vivado HLS迁移到Vitis上

作者：lulugay

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〇、前言
2020.11.25日，Xilinx更新了Vitis2020.2版本。正好之前报名里Xilinx的自适应计算挑战赛，比赛要求使用Vitis平台进行开发，所以今天趁着新版本发布把我之前参加DAC-SDC的项目SkrSkr迁移到Vitis平台上。之前听过一些介绍说Vitis将SDAccel和SDSoC合并到了一起，并使用OpenCL语言，所以在项目迁移之前我还是有点打怵的，但是经过一天的尝试基本搞定了。整个流程走下来感觉Vitis跟SDSoC换汤不换药，只是调用加速器的方式稍有变化，整体的设计思想还是一致的。下面就进入正题，如何一步一步将设计从SDSoC/Vivado HLS迁移到Vitis平台。

一、环境准备

1.安装Vitis，此处省略

2. 安装zcu104的platform
下载zcu104的base platform
从https://www.xilinx.com/support/download/index.html/content/xilinx/en/dow...下载ZCU104 Base 2020.2以及ZYNQMP common image
将ZCU104 Base 2020.2解压到/tools/Xilinx/Vitis/2020.2/platforms/（Vitis的默认安装目录）

3. 准备sysroot
将ZYNQMP common image解压到任意位置，并将rootfs.tar.gz进一步解压

mkdir sysroot
tar -xvf rootfs.tar.gz -C sysroot

文件内容如下所示

├── bl31.elf
├── boot.scr
├── Image
├── README.txt
├── rootfs.ext4
├── rootfs.manifest
├── rootfs.tar.gz
├── sdk.sh
├── sysroot
└── u-boot.elf

二、创建工程

sysroot，rootfs，kernel image指向刚才解压出来的那些文件

然后选择空工程，至此新工程创建完毕
SkrSkr/Develop/C下边的5个文件导入

.
├── main.cpp
├── SkyNet.cpp
├── SkyNet.h
├── transform.cpp
└── utils.cpp

将SkyNet.cpp和SkyNet.h复制到SkyNet_kernels/src下，将main.cpp, SkyNet.h, transform.cpp, utils.cpp复制到SkyNet/src下，如图所示

SkyNet/src下存放的是Host端代码，而SkyNet_kernels/src下存放的是FPGA端代码，二者在编译的时候是独立的。对比之前Vivado HLS的开发流程，SkyNet_kernels/src下放的就是Vivado HLS工程里的文件，但是没有testbench，而SkyNet/src放的就是综合出来比特流之后在SDK里开发应用程序的文件。（SDSoC好用就好用在将SDK的应用程序代码跟Vivado HLS里的testbench合并，逻辑上很直观。Vitis这么搞纯粹是为了上层使用OpenCL，个人认为是倒退。但是好处是不会像SDSoC稍微修改一点代码就可能导致整个工程重新编译一遍）

三、修改源代码
1. 修改SkyNet.cpp
SkyNet.cpp的设计基本不用动，唯一需要修改的就是接口定义

void SkyNet(ADT4* img, ADT32* fm, WDT32* weight, BDT16* biasm)
{
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=204800 port=img    offset=slave bundle=fm
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=628115 port=fm     offset=slave bundle=fm
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=13792  port=weight offset=slave bundle=wt
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=432    port=biasm  offset=slave bundle=bm
#pragma HLS INTERFACE s_axilite register port=return

#pragma HLS ALLOCATION instances=PWCONV1x1		limit=1 function
#pragma HLS ALLOCATION instances=DWCONV3x3	   	limit=1 function

将接口定义删掉即可

void SkyNet(ADT4* img, ADT32* fm, WDT32* weight, BDT16* biasm)
{
#pragma HLS ALLOCATION instances=PWCONV1x1		limit=1 function
#pragma HLS ALLOCATION instances=DWCONV3x3	   	limit=1 function

2. 修改SkyNet/src/SkyNet.h
kernel端的SkyNet.h无需修改，但是Host端因为要用OpenCL来调用加速器，因此需要在头文件中加入相关代码(就是从案例vadd中复制过来的)

#ifndef SKYNET_H
#define SKYNET_H
#pragma once

#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

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "ap_int.h"

3.修改SkyNet/src/SkyNet.cpp
这部分改动比较大，主要就是要用OpenCL的方式加载Kernel，分配内存，还是以vadd的案例作为参照。

1. 首先把加载kernel部分代码全盘复制过来

int main(int argc, char* argv[]) {
    if(argc != 2) {
        std::cout << "Usage: " << argv[0] <<" "<< std::endl;
        return EXIT_FAILURE;
    }

    char* xclbinFilename = argv[1];

    std::vector devices;
    cl::Device device;
    std::vector platforms;
    bool found_device = false;

    cl::Platform::get(&platforms);
    for(size_t i = 0; (i < platforms.size() ) & (found_device == false) ;i++){
        cl::Platform platform = platforms[i];
        std::string platformName = platform.getInfo();
        if ( platformName == "Xilinx"){
            devices.clear();
            platform.getDevices(CL_DEVICE_TYPE_ACCELERATOR, &devices);
        if (devices.size()){
            device = devices[0];
            found_device = true;
            break;
        }
        }
    }
    if (found_device == false){
       std::cout << "Error: Unable to find Target Device "
           << device.getInfo() << std::endl;
       return EXIT_FAILURE;
    }

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

    // Load xclbin
    std::cout << "Loading: '" << xclbinFilename << "'/n";
    std::ifstream bin_file(xclbinFilename, std::ifstream::binary);
    bin_file.seekg (0, bin_file.end);
    unsigned n_b = bin_file.tellg();
    bin_file.seekg (0, bin_file.beg);
    char *buf = new char [n_b];
    bin_file.read(buf, n_b);

    // Creating Program from Binary File
    cl::Program::Binaries bins;
    bins.push_back({buf,n_b});
    devices.resize(1);
    cl::Program program(context, devices, bins);

2. 声明kernel

cl::Kernel krnl_SkyNet(program,"SkyNet");

3. 分配kernel端内存cl::buffer
在SDSoC中我们要给权重、特征图等buffer分配连续内存地址，

	img = (ADT4*)sds_alloc(4*160*320*sizeof(ADT4));
	weight = (WDT32*)sds_alloc(441344*sizeof(WDT));
	biasm = (BDT16*)sds_alloc(432*sizeof(BDT16));
	fm = (ADT32*)sds_alloc(32*fm_all*sizeof(ADT));

在PYNQ框架中我们用xlnk分配连续内存地址

	img    = xlnk.cma_array(shape=[4,160,320,4], dtype=np.uint8)
	fm     = xlnk.cma_array(shape=(628115*32), dtype=np.uint8)
	weight = xlnk.cma_array(shape=(220672),  dtype=np.int16)
	biasm  = xlnk.cma_array(shape=(432*16),  dtype=np.int16)

其中img和weight对于加速器来说是只读不写，但是biasm和fm既读又写，这一点在SDSoC和PYNQ中都无需刻意区分，但是在OpenCL需要额外注意。

cl::Buffer(按照我的理解)是在DDR中给kernel(FPGA)端分配一段内存，

	cl::Buffer buffer_img(context, CL_MEM_READ_ONLY, 160*320*sizeof(ADT16));
	cl::Buffer buffer_fm(context, CL_MEM_READ_WRITE, 32*fm_all*sizeof(ADT));
    cl::Buffer buffer_wt(context, CL_MEM_READ_ONLY, 441344*sizeof(WDT));
    cl::Buffer buffer_bm(context, CL_MEM_READ_WRITE, 432*sizeof(BDT16));

所以其读写是从kernel端看的，加速器中对img只是读没有写，所以在声明cl::Buffer时用CL_MEM_READ_ONLY，而fm和biasm既有读又有写，所以用CL_MEM_READ_WRITE。

4. 配置加速器
在PYNQ框架里我们要把加速器各个端口对应对物理地址传给加速器

	SkyNet = overlay.SkyNet
	SkyNet.write(0x10, img.physical_address)
	SkyNet.write(0x1c, fm.physical_address)
	SkyNet.write(0x28, weight.physical_address)
	SkyNet.write(0x34, biasm.physical_address)

在SDSoC中这个步骤工具会自动生成相应的代码，但是在OpenCL中需要手动指定，需要注意参数的顺序要跟function的顺序一致。

    //set the kernel Arguments
    int narg=0;
    krnl_SkyNet.setArg(narg++,buffer_img);
    krnl_SkyNet.setArg(narg++,buffer_fm);
    krnl_SkyNet.setArg(narg++,buffer_wt);
    krnl_SkyNet.setArg(narg++,buffer_bm);

5.分 配Host端内存
在PYNQ框架中我们并不能直接访问属于加速器的内存片段，因此在Host端都是操作numpy数组，然后将numpy数组的数据复制到属于加速器的内存片段

parameter = np.fromfile("SkyNet.bin", dtype=np.int16)
np.copyto(weight, parameter[0:220672])# 从numpy数组复制到加速器内存
np.copyto(biasm[0:428*16], parameter[220672:])
print("Parameters loading done")
bbox_origin = np.empty(64, dtype=np.int16)
bbox  = np.zeros((4,4),dtype=np.float32)
result= open('predict.txt','w+')
batch_buff  = None
image = np.zeros((4,160,320,4),np.uint8)
image_buff  = np.zeros((4,160,320,4),np.uint8)
...
np.copyto(bbox_origin, biasm[428*16:])# 从加速器内存复制到numpy数组
...

再次强调一下在SDSoC中不区分Host端内存和Kernel端内存

	img = (ADT4*)sds_alloc(4*160*320*sizeof(ADT4));
	weight = (WDT32*)sds_alloc(441344*sizeof(WDT));
	biasm = (BDT16*)sds_alloc(432*sizeof(BDT16));
	fm = (ADT32*)sds_alloc(32*fm_all*sizeof(ADT));

在OpenCL中要将Kernel端内存映射到Host端内存

    ADT32* img = (ADT32*) q.enqueueMapBuffer (buffer_img , CL_TRUE , CL_MAP_WRITE , 0, 160*320*sizeof(ADT32));
    ADT32* ofm_blob32 = (ADT32*) q.enqueueMapBuffer (buffer_fm , CL_TRUE , CL_MAP_READ | CL_MAP_WRITE , 0, fm_all*sizeof(ADT32));
    WDT32* weight = (WDT32*) q.enqueueMapBuffer (buffer_wt , CL_TRUE , CL_MAP_WRITE , 0, 441344*sizeof(WDT));
    BDT16* biasm = (BDT16*) q.enqueueMapBuffer (buffer_bm , CL_TRUE , CL_MAP_READ | CL_MAP_WRITE , 0, 432*sizeof(BDT16));

需要说明的是此时对读写是从Host端开过来的，所以与Kernel端配置反过来。

6. 启动加速器

在PYNQ里我们用如下代码控制加速器启动与停止

        SkyNet.write(0x00, 1)
        isready = SkyNet.read(0x00)
        while( isready == 1 ):
            isready = SkyNet.read(0x00)

在OpenCL中对应的代码稍微复杂一点点，如下所示

    q.enqueueMigrateMemObjects({buffer_img,buffer_wt},0/* 0 means from Host*/);
    q.enqueueTask(krnl_SkyNet);
    q.enqueueMigrateMemObjects({buffer_fm,buffer_bm},CL_MIGRATE_MEM_OBJECT_HOST);
    q.finish();

在这里又一次出现了对内存的配置，q.enqueueMigrateMemObjects的用法我不是非常清楚，但是大概意思就是CL_MIGRATE_MEM_OBJECT_HOST选项表示Host在启动加速器之后还得回去接收数据，而0就不用。加速器运行完后边的数据处理跟SDSoC里是完全一致的。

7. 回收内存

	q.enqueueUnmapMemObject(buffer_img, img);
    q.enqueueUnmapMemObject(buffer_fm, ofm_blob32);
    q.enqueueUnmapMemObject(buffer_wt, weight);
	q.enqueueUnmapMemObject(buffer_bm, biasm);
    q.finish();

四、编译工程
1. 选择硬件函数
现在的工程并没有选择硬件函数加速

点击Hardware Functions里的蓝色按钮将SkyNet添加为硬件函数，并勾选Max Memory Ports。

2. 编译工程
将Activation build configuration改为Hardware，点击左侧的菜单栏SkyNet_system，然后点击小锤子，整个工程就开始编译了。在R7 3700X上大概20分钟就能编译完成。

SkyNet文件夹存放Host端调用加速器的代码，SkyNet_kernels文件夹存放FPGA端的加速器代码，但是加速器端代码还只是代码，并不是一个比特流，SkyNet_system_hw_link文件夹用来存放Vivado工程，生成的比特流就在这个文件夹下。编译完毕我们可以在SkyNet_system_hw_link找到Vivado工程

打开看一下block diagram，可以发现勾选Max Memory Ports生效了，加速器总共生成了4个M_AXI接口，如果不勾选Max Memory Ports那么四个接口就会bundle到一起，影响加速器的传输性能。

五、上板测试
1. 烧写SD卡
在编译好的工程下我们可以看到如下文件

我们把sd_card.img文件复制到windows电脑上烧写进SD卡，具体怎么烧写之前的博文中有提到，在此不再重复

2. 准备文件
用Mobaxterm登录板子，默认用户名和密码都是root。将SkyNet，init.sh，binary_container_1.xclbin以及SkrSkr/Develop/C/blob和SkrSkr/Develop/C/weight复制到/home/root下，如图所示

配置一下xrt环境

./init.sh

然后就可以开始测试啦

至此移植工作全部结束。目前的linux系统是Vitis自动生成的（其实应该是Petalinux构建出来的），可用性很差，后边会尝试把Vitis跟PYNQ结合，将Vitis生成的可执行文件放在PYNQ提供的运行环境下执行。