教你如何使用Xilinx SDSoC

實現在ARTY Z7上進行軟硬協同設計

細心的小伙伴們可能早已留意到，在Digilent今年全新出品的Zynq評估板中，無論是第二代經典入門級的Zynq? Board -ZYBO Z7，還是創客最愛的ARTY Z7，都全面支持Xilinx SDSoC開發環境。意味著如果你是一名系統或軟件工程師，現在無需深度的硬件專業知識，就能廣泛地利用Zynq? SoC，暢享超過100倍的軟件性能加速。

本篇干貨教程中，我們就將帶你入門了解如何使用Xilinx SDSoC工具來創建嵌入式C/C++/OpenCL應用開發，并實現直接在ARTY Z7嵌入式視覺開發平臺的器件上進行軟件設計。

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SDSoC軟硬協同設計與其開發流程

由于集成了ARM處理器內核與可編程邏輯，對于眾多應用開發而言，Zynq 非常的靈活。這意味著開發人員可以將設計按不同的元素來優化劃分，例如將其中那些高層次決策的部分放入ARM內核（PS端），并將諸如圖像處理流水線等需要加速的部分用可編程邏輯（PL端）來實現。

當然，傳統的Zynq開發流程會將Vivado和SDK分離開來，這種方法很難在可編程邏輯（PL）和處理系統（PS）之間分配功能，因此無法獲得最優的系統性能。

通過SDSoC，則可以解決上述問題。SDSoC是一個系統最優編譯器，支持軟件定義的整個系統開發，包括PS和PL。標準的SDSoC開發流程如下：

1. 使用高層次語言開發應用

2. 使用提供的性能監視器來分析設計從而確定性能瓶頸

3. 使用SDSoC將造成性能瓶頸的功能用可編程邏輯來實現加速

4. 重新驗證性能，如果有必要也可以加速其它功能模塊

正是因為高層次綜合（HLS）和互聯框架的結合才使得各種功能模塊可以在PS和PL之間輕松的轉換：

• 使用Vivado HLS加速某個功能模塊

• 分析通信功能

• 建立AXI通信

• 生成軟件存根

為了能夠使可編程邏輯獲得最佳的性能，我們需要給加速的功能模塊定義一些優化參數，這樣才能夠確定HLS工具執行哪些優化操作。我們可以使用高層次語言（比如C/C++/OpenCL）來開發基于Zynq的設計。為了支持SDSoC的使用，我們需要一個面向SDSoC的基礎平臺來定義底層硬件和軟件環境。

對于Arty Z7，點擊「閱讀原文」，在“下載代碼”按鈕中可以找到Arty Z7對應的SDSoC基礎平臺，下載之后就可以在Arty Z7上開發相關的應用了。

02

創建一個新的SDSoC工程

在這一教程中，我們將探究如何使用SDSoC平臺來加速矩陣乘法的性能。

使用SDSoC工具創建一個新的SDSoC工程，具體操作步驟如下：File -> New -> Xilinx SDx Project。這會打開一個新工程的對話框，包括支持的平臺規范、操作系統選擇和示例應用選擇。詳細圖解如下。

創建一個新工程：

選擇Arty7 Z7-20作為硬件平臺。這里，在新工程對話框的第二頁選擇一個新的平臺，點擊添加自定義平臺選項（add custom platform）。然后對應找到已下載好的Arty Z7-20平臺，添加好后這個平臺就能在構建列表中看到，在此基礎上我們可以選擇它應用到我們的工程中：

選擇操作系統（OS）和目標CPU：

然后選擇示例應用：

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SDx項目設置頁面

完成項目新建之后，將在SDSoC開發環境中看到SDx項目設置頁面。我們使用這個項目設置選項卡可以在PS和PL之間轉移功能。實現方式是：選擇“Add HW Function”按鈕，然后選擇所需要移植到PL中的功能。

如果我們想將原本在PS中運行的功能轉移到PL中來實現加速，那么我們應當遵循以下幾條規則：

• 這個功能不能包含任何操作系統級的系統調用

• 這個功能必須完整

• C結構體需要有界并固定大小

• 結構體的實現是明確的

在項目設置控制面板上，我們也可以控制加速模塊和PL與PS之間數據移動網絡傳遞數據的操作頻率。

SDSoC Project Settings – 此界面顯示的是SDSoC主要的控制功能：

Add HW Function界面 – 顯示可以用于加速的函數：

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預估性能選項與啟動調試器

當SDSoC構建時會生成必要的bin文件，我們可以將其放到SD卡中來啟動運行或者下載到Zynq中用于調試。構建過程需要一定的時間，因此在很多情況下當我們選擇一個函數用于加速時，我們可以先運行一個功能，估計一下需要的總資源和預期的加速效果。通過在項目設置菜單中點擊“估計性能（estimate performance）”選項就可以實現上述這一步。

整個構建過程完成后就會生成一個結果報告，估計運行結果界面如下圖：

如果我們構建這個設計時沒有點擊預估性能選項，那么我們可以使用調試器（debugger）像正常應用那樣下載和運行示例程序。要想啟動調試器，在工程上右擊，然后選擇Debug As ->Launch on Hardware（SDSoC Debugger）。參考下圖啟動調試界面，這里我們會將應用下載到Arty Z7，并在編程入口使Zynq掛起。將SDSoC終端與Arty Z7 UART（串口）連接我們就可以看到示例程序的運行結果：

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利用好SDSoC開發環境中庫的優勢

當我們開發自己的SDSoC應用時，我們需要了解SDSoC提供的庫和加速棧資源。

為了幫助開發者能夠更快地開發最終應用，SDSoC提供了一些HLS庫，開發者可以將其應用到自己的設計中，具體包括：

• reVison Stack– 提供了一個三元素開發棧，我們可以使用OpenCV、Caffe和一系列通用的神經網絡開源框架到嵌入式視覺應用中。reVision包括多重加速能力的OpenCV。

• 數學庫– 提供了標準數據庫可綜合的實現。

• IP庫– 提供了可以實現FFT、FIR和移位寄存器LUT功能的IP庫。

• 線性代數庫– 提供了通用線性代數功能的庫資源。

• 任意精度數據類型庫– 提供無二次冪和有符號/無符號整數任意數據長度的支持，這個庫可以讓開發者更加高效的使用FPGA資源。

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總結

通過這個項目中的例子，我們看到借助SDSoC，我們可以在PS與PL之間輕松地轉移軟件（SW）函數，并通過將之轉移到PL端來實現性能上的提升。

So，如果此刻，你已經對利用SDSoC來實現軟硬協同開發與優化產生了興趣，趕快拿起一塊Arty Z7，參照著教程嘗試一下快感吧！