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OSC Tokyo 2013/Fall
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Opensource conference Tokyo 2013/Fall Talk about Opensource SoC(System on Chip) on FPGA
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OSC Tokyo 2013/Fall
1.
FPGA上でのオープンソースSoC (System on Chip)の構築 栗元憲一 http:/ /k2-garage.com 13年10月21日月曜日
2.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. おまけ 13年10月21日月曜日
3.
自己紹介 SoC カスタムデータパスハードマクロ static timing analyzer 大学院で論理合成アルゴリズム研究 SoCの物理実装 不揮発メモリ開発 トランジスタばらつき測定システム 物理実装とCSを十数年やってました。 13年10月21日月曜日
4.
android + hardware http:/ /k2-garage.com 13年10月21日月曜日
5.
書籍出版しました テーマ ソフトウェア処理で重たい部分をハードウェア化 して高速化する手法を学ぶ 実習書です。 対象読者 SoC開発のエッセンスを学びたい人 13年10月21日月曜日
6.
概要 LAN上にあるサーバからmotionJPEGファイルをスト リーミング。FPGA上のSoCで動画表示 このようなSoCを開発することでSoC開発のエッセン ス(ソフト処理をハード処理にすることで高速化する) を学習します。 13年10月21日月曜日
7.
こんな感じのSoCをFPGA上で動かします 13年10月21日月曜日
8.
開発フロー ソフトウェア処理をハードウェ ア処理に変更することでfpsが向 上。 ハードウェア処理が何故高速な のかを学習。 13年10月21日月曜日
9.
予備知識: memory DRAM SRAM 面積 小 大 速度 遅 速 製造 専用 13年10月21日月曜日 標準logic
10.
予備知識: FPGA 4∼6入力のSRAMの メモリの中の値と 接続を変更することで 任意のlogicを実現 FPGA内部構造 HDLを全く別の 方法で動作させます。 13年10月21日月曜日
11.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. エクストリームなおまけ 13年10月21日月曜日
12.
JPEG decode Algorithmの主な構造 huffman
decode 量子化を戻す 2D-DCT変換 YCbCr-RGB変換 13年10月21日月曜日
13.
YCbCr-RGB変換 R=Y + 1.40200(Cr-128) G =
Y -0.34414(Cb-128) - 0.71414(Cr-128) B = Y +1.77200(Cb-128) 単なる色空間の変換演算です! 今日はここにFocus! 13年10月21日月曜日
14.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. エクストリームなおまけ 13年10月21日月曜日
15.
FPGA上にSoCを実現! 13年10月21日月曜日
16.
開発するSoC SPARC V8 CPU,
AHB・APBバス, ethernet mac...... 13年10月21日月曜日
17.
最初にFPGA上にSoCをインプリ Linuxをブートしてソフトウェアのみで システムを動作させる。 13年10月21日月曜日
18.
aeroflex gaisler社からGPLライセンスのSoCが 公開されていて、前出の図からjpegモジュールを除 いたSoCが40種類ぐらいのボードでmakeコマンド 一つで実装できます。 この状態でrepositoryに含めてます 13年10月21日月曜日
19.
linuxについてもconfigurationさえすれば 動作するsnapgear-linuxが公開されてます。 この状態でrepositoryに含めてます 13年10月21日月曜日
20.
jpegソフトウェアについては定評のある IJG(International Jpeg Group)のjpeg
library を使用します。 linuxのユーザランドアプリのディレクトリとして repositoryに含めてます 13年10月21日月曜日
21.
softもhardもgitで管理 xilinx altera actel ASICでも! 動作します sourceforgeの MJPEG-LEON-FPGA に repositoryがあります。 13年10月21日月曜日
22.
Boot! とりあえず、フレームバッファにコンソール出力するとこうな ります。以降はコンソールはUART。 13年10月21日月曜日
23.
IJG付属のjpeg表示ソフトを少し変更すると motionJPEG表示できます。 遅い!!!!!! (こんなに小さな画面でもカクカク) (ちなみに動作周波数40MHz) 13年10月21日月曜日
24.
ちなみにVGAサイズだと、、、 13年10月21日月曜日
25.
gprofを用いて処理時間を測定 Each sample counts
as 0.01 seconds. % cumulative self self total time seconds seconds calls ms/call ms/call name 32.26 0.20 0.20 62424 0.00 0.00 decode_mcu 24.19 0.35 0.15 249696 0.00 0.00 jpeg_idct_islow 20.97 0.48 0.13 2448 0.05 0.05 ycc_rgb_convert 8.06 0.53 0.05 1722390 0.00 0.00 jpeg_fill_bit_buffer 8.06 0.58 0.05 1 50.00 50.00 finish_output_bmp 3.23 0.60 0.02 2448 0.01 0.01 put_pixel_rows 1.61 0.61 0.01 236866 0.00 0.00 jpeg_huff_decode 1.61 0.62 0.01 4896 0.00 0.00 h2v1_fancy_upsample 0.00 0.62 0.00 62424 0.00 0.00 jzero_far huffman decode, idct, YCbCr-RGB変換が占める 13年10月21日月曜日
26.
software処理でデータはどう流れる? (1) IU,cache,MMU 13年10月21日月曜日
27.
software処理でデータはどう流れる? (3) cache miss
とMMU 13年10月21日月曜日
28.
software処理でデータはどう流れる? (2) cache miss
とMMU 13年10月21日月曜日
29.
software処理でデータはどう流れる? (4) framebuffer出力も同時動作 memory controllerの入り口もかなり厳しい 13年10月21日月曜日
30.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. エクストリームなおまけ 13年10月21日月曜日
31.
以下の様な要素技術をマスター ・IPコア設計 ・AMBAバスの理解とインターフェース設計 ・デバイスドライバ開発 13年10月21日月曜日 (この発表ではふれません)
32.
AMBA busにつながるIPコア YCbCr -RGB 13年10月21日月曜日
33.
YCbCr-RGB演算をハード化 R=Y + 1.40200(Cr-128) G =
Y -0.34414(Cb-128) - 0.71414(Cr-128) B = Y +1.77200(Cb-128) hardwareは並行動作可能 動作周波数を満たす限り直列接続可能 13年10月21日月曜日
34.
他にも考慮しないといけないものがある BUS 13年10月21日月曜日
35.
Busって何? (1) busにつながるコアには マスタとスレーブの2種 類ある いつキャッシュミスが起きるかは Hardware設計時にも分からないし、アプリケーション開発時にも分からない 13年10月21日月曜日
36.
Busって何? (2) bus上にマスタは複数あって要求が出るタイミングは 分からないので当然ぶつかる 13年10月21日月曜日
37.
Busって何? (3) アービタが交通整理をしている 13年10月21日月曜日
38.
Busって何? (4) どのようなタイミングで要求や応答が起きても 正しく動くように構造やプロトコルを規定したもの 13年10月21日月曜日
39.
YCbCr-RGBコア概要設計 processorから書き込まれるslave interfaceと SDRAM上のframe bufferに書き込むmaster
interface 両方を持ちます 13年10月21日月曜日
40.
実行すると 殆どfps変わらない!? 13年10月21日月曜日
41.
CPU使用時間の変化 13年10月21日月曜日
42.
データの流れ huffman, DCTは同じ 13年10月21日月曜日
43.
データの流れ YCbCr-RGB変換はハード この時huffman, DCTが並行動作に注意 13年10月21日月曜日
44.
データの流れ RGB信号は出し続ける 13年10月21日月曜日
45.
データの流れ 13年10月21日月曜日
46.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. エクストリームなおまけ 13年10月21日月曜日
47.
huffman, dctもhardware化 FIFOやダブルバッファで接続 ハンドシェークで連携 13年10月21日月曜日
48.
再生! ソフト処理より遥かに大きな画面サイズで 動画再生 13年10月21日月曜日
49.
fpsが上がる理由 13年10月21日月曜日
50.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. おまけ 13年10月21日月曜日
51.
まとめ(1) 13年10月21日月曜日
52.
まとめ(2) 13年10月21日月曜日
53.
Agenda introduction 1. 発表概要 &
予備知識 main 2. JPEGアルゴリズム 3. softwareのみでmotionJPEG再生 4. 一部処理をhardware化 5. JPEG処理をhardware化 6. まとめ 7. おまけ 13年10月21日月曜日
54.
softwareに対するFPGAの優位性 ・ハードウェア処理の方が圧倒的な低クロ ック数で処理可能 ・バスボトルネックに対して対応したシス テム構造を組める 13年10月21日月曜日
55.
FPGA vs ASIC pros 開発コスト・期間短い 少量の場合安価 動作時書き換え可能 cons 処理能力
ASIC >>> FPGA 消費電力大 大量の場合コストでASICに負ける 13年10月21日月曜日
56.
以上のような条件の中でFPGAに合ったマーケットは? 最近話題になっているのは金融HFT FPGAを搭載したレイヤ7スイッチで 演算をして答えを返す ->低レイテンシの実現 13年10月21日月曜日
57.
lambda architecture real-time stream processing rule化 ・real-timeで大量のデータ入出力 ・rule自体が変化成長していく 13年10月21日月曜日 database
58.
fin 13年10月21日月曜日
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