在Vivado中構(gòu)建AMD Versal可擴展嵌入式平臺示例設(shè)計流程

一 簡述

為了應對無線波束形成、大規(guī)模計算和機器學習推斷等新一代應用需求的非線性增長，AMD 開發(fā)了一項全新的創(chuàng)新處理技術(shù) AI 引擎，片內(nèi)集成該AI Engine的FPGA系列是Versal 自適應計算加速平臺 (ACAP) 。

有很多文檔都描述了AI Engine的架構(gòu)和性能參數(shù)，但是看完這些后，現(xiàn)實中遇到的問題最多的是這個AI Engine到底怎么用，在Vivado中怎么調(diào)用，數(shù)據(jù)怎么跟PL、ARM之間進行交互，數(shù)據(jù)怎么給AIEngine運算，計算后的結(jié)果又怎么獲取，有沒有相關(guān)的例程等等。我想通過以下教程從Vivado建工程、添加 AI 引擎和應用、Vitis Unified裸機應用程序并生成bin文件在硬件上跑起來一個完整的步驟來告訴大家AI Engine是怎么用起來的，通過這個例子能夠讓大家熟悉Vivado和Vitis Unified IDE對AIE怎么操作。

作者在創(chuàng)建本文例程時使用的開發(fā)工具版本是VitisUnified 2023.2。

二 AI Engine裸機應用創(chuàng)建的流程

流程分為以下四個步驟，如下圖所示：

步驟一：定制平臺的創(chuàng)建

構(gòu)建硬件平臺是設(shè)計的起點，將用于構(gòu)建 Vitis 軟件平臺應用程序。在本教程的這一步驟中，描述了如何創(chuàng)建新平臺的示例。首先使用 AMD Vivado設(shè)計套件中的AI引擎構(gòu)建硬件系統(tǒng)。

1.在Vivado中構(gòu)建AMD Versal可擴展嵌入式平臺示例設(shè)計

1）啟動Vivado，然后在歡迎窗口中選擇Open Example Project；

2）先單擊Next，在Templates選擇頁面中選擇VersalExtensible Embedded Platform，點擊Next；

3）將此項目命名為custom_pfm_vck190或者自定義并單擊Next；

4）在開發(fā)板選擇頁面中，這里選擇的是Versal VCK190 Evaluation Platform，點擊Next；

5）在設(shè)計預設(shè)頁面中，保持默認設(shè)置。請注意，示例中的可擴展平臺AI引擎已添加；

6）單擊Finish完成示例工程的創(chuàng)建，Vivado自動使用剛剛創(chuàng)建的模板設(shè)計打開 Vivado項目，可以打開Block Deisgn來查看平臺設(shè)計的詳細信息。通過使用預構(gòu)建的可擴展平臺模板，可以輕松獲得經(jīng)過驗證的平臺硬件設(shè)計，以繼續(xù)下一步。在實際的設(shè)計開發(fā)過程中，可以使用它作為baseline設(shè)計并在此基礎(chǔ)上進行進一步的修改；

7）在Vivado左側(cè)的Flow Navigator 面板中單擊GenerateBlock Design，單擊Generate，然后等待該過程完成；

注意：生成模塊設(shè)計時，Vivado會顯示嚴重警告，這是因為中斷控制器IP有一個未連接的輸入?？梢院雎?，因為Vitis稍后會在流程中自動連接該輸入。

8）從Vivado菜單中單擊File，然后選擇Export -> ExportPlatform，點擊Next；

A.在第二頁上，選擇Hardware and hardware emulation作為平臺類型，單擊Next；

B.在第三頁上選擇Pre-synthesis，單擊Next；

C.在第四頁上，添加平臺名稱，單擊Next；

D.在第五頁中，設(shè)置XSA的名稱，然后單擊Finish；

9)導出硬件平臺后關(guān)閉Vivado工程。

2. 在 Vitis 軟件平臺中構(gòu)建平臺

1)打開 Vitis Unified，然后選擇一個工作區(qū)；

2)在歡迎頁面上，選擇Create PlatformComponent，或選擇File -> New Component ->Platform；

3)將平臺組件名稱設(shè)置為base_pfm_vck190，然后單擊Next；

4)選擇Hardware Design并使用上一步Vivado導出的 XSA，然后單擊Next；

5) 將操作系統(tǒng)設(shè)置為aie_runtime，將處理器設(shè)置為ai_engine，然后單擊Next，接著再單擊Finish完成平臺組件創(chuàng)建；

6)然后通過在流程導航器中單擊Build并選擇base_pfm_vck190組件來構(gòu)建平臺；

注意：如果后面要更改XSA文件，單擊位于該平臺組件的Settings文件夾中的 vitis-comp.json，然后單擊Switch XSA；

7)生成的平臺可以在base_pfm_vck190/export中找到。

在此步驟中，從Vivado Design Suite中開始創(chuàng)建硬件平臺，然后根據(jù)導出的XSA文件在Vitis Unified軟件平臺中構(gòu)建平臺。下一步驟，將使用Vitis Unified中的平臺構(gòu)建AI Engine應用程序。

步驟二：創(chuàng)建AI引擎應用

在這一步驟中，將學習如何從模板創(chuàng)建新的AI Engine應用程序工程，并運行Emulation-AIE程序。

1. 新建一個AI Engine應用項目

1)如果已關(guān)閉 Vitis UnifiedIDE，將其打開，使用步驟一中相同的工作區(qū)；

2)單擊View -> Examples查看隨Vitis Unified安裝的應用實例；

3)在AI Engine Examples ->Installed AI Engine Examples下選擇Simple，并單擊Create AI Engine Component from Template；

注意：在Simple模板的描述中，它表示該模板僅適用于AIE仿真和SW(x86)仿真。在下面步驟中，將學習如何使其在硬件上運行。

4)將AIE組件名稱設(shè)置為simple_aie_application，然后單擊Next；

5)在Select Platform頁面中，選擇要使用的平臺，選擇剛剛創(chuàng)建的base_pfm_vck190平臺， 單擊Next，然后下一頁面中單擊Finish；

6)該Simple模板導入了兩個文件夾：

A.Src文件夾包含kernels和graph的源代碼；

B.Data文件夾包含仿真輸入的數(shù)據(jù)（input.txt）和正確的輸出數(shù)據(jù) (golden.txt)。

7)打開文件project.h查看graph，可以看到該AIE示例graph有一個輸入和一個輸出，并實現(xiàn)了具有相同功能的兩個內(nèi)核，第一個內(nèi)核的輸出提供給第二個內(nèi)核；

first = kernel::create(simple);

second = kernel::create(simple);

adf::connect(in.out[0], first.in[0]);

connect(first.out[0], second.in[0]);

connect(second.out[0], out.in[0]);

該graph的圖形表示如下:

8)打開kernels/kernels.cc文件查看內(nèi)核中實現(xiàn)哪些功能，可以看到這是一個簡單的計算，將輸入的實部和虛部相加給輸出的實部，輸入的實部減去虛部給輸出的虛部。

2.構(gòu)建項目并通過Emulation-AIE運行

1)在流程導航器中，確保選擇simple_aie_application組件，然后單擊AIE SIMULATOR / HARDWARE下的Build；

2)Bulid完成后，要運行 System C 仿真（Emulation-AIE或AIE SIMULATOR），在 Flow 導航器中，確保選擇simple_aie_application組件，然后單擊AIE SIMULATOR / HARDWARE下的Run；

3)在控制臺中可以看到仿真成功運行，輸出數(shù)據(jù)文件已經(jīng)生成build/aiesimulator_output

/data/output.txt，可以將文件output.txt與golden.txt文件里面數(shù)據(jù)進行比較，output.txt與golden.txt數(shù)據(jù)一樣。

? 步驟三：系統(tǒng)集成

在這一步驟中，將學習如何將 HLS 中的可編程邏輯 (PL) 內(nèi)核添加到系統(tǒng)項目中，并構(gòu)建整個系統(tǒng)。

1.修改graph以用于硬件構(gòu)建 步驟二已經(jīng)創(chuàng)建了一個可以在AI Engine陣列上運行的應用程序，現(xiàn)在需要修改AI Engine graph以便在硬件中使用，并使用 Vitis 編譯器 (V++) 將AI Engine陣列連接到PL；project.cpp中的main函數(shù)不會在硬件運行中使用，因此需要添加一個開關(guān)(#ifdefined(...))，以便在硬件構(gòu)建時不考慮這個main函數(shù)；

2.添加 PL 內(nèi)核

在此示例中，使用 HLS 內(nèi)核用于連接memory和 AXI4-Stream 接口，以便memory和 AXI4-Stream接口之間的數(shù)據(jù)交互；

mm2s kernel：從memory讀取數(shù)據(jù)并將其輸入到AI Engine陣列中；

s2mm kernel：從AI Engine陣列接收輸出數(shù)據(jù)并將其寫入memory。

1)在 Vitis Unified IDE 中，單擊File -> New Component -> HLS；

2)將第一個組件命名為mm2s并單擊Next；

3)在Configuration File頁面中，保留默認設(shè)置（Empty File），然后單擊Next；

4)在Source Files頁面中，添加mm2s.cpp文件；

5)在同一頁面

中，將mm2s函數(shù)設(shè)置為top function（點擊Browse并選擇mm2s），然后單擊Next；

6)在

Hardware選擇平臺頁面中，選擇剛剛創(chuàng)建的base_pfm_vck190平臺，點擊Next；

7)在

Settings頁面中flow_target下選擇Vitis KernelFlow Target，package.output_format下選擇Generate Vitis XO，單擊Next，然后單擊Finish；

8)重

復以上1 到 7 ，使用s2mm.cpp文件創(chuàng)建一個名為s2mm的 HLS 組件。

3. 配置硬件鏈接項目

剛剛已經(jīng)導入了kernels，現(xiàn)在我們需要告訴 Vitis Linker如何將所有組件連接在一起

1)在Vitis Unified IDE中單擊File -> New Component -> System Project創(chuàng)建一個新的系統(tǒng)項目組件；

2)將此系統(tǒng)組件命名為simple_aie_application_system_project并單擊Next；

3)在Platform頁面中選擇剛剛創(chuàng)建的base_pfm_vck190平臺；

4)跳過Embedded Component Paths頁面（單擊Next），此頁面用于運行 Linux 的系統(tǒng)，這個示例是裸機系統(tǒng)，所以不用管，然后在下一面中單擊Finish；

5)打開simple_aie_application_system_project-> Settings

下名為vitis-sys.json 的設(shè)置文件，然后單擊文件底部Components部分中的add Existing Component，單擊HLS并選擇mm2s和s2mm組件；



6)再次單擊文件底部Components部分中的add Existing Component，單擊AIEngine并選擇simple_aie_application組件；

7)現(xiàn)在需要告訴 Vitis 編譯器系統(tǒng)的連接情況，此步驟是使用配置文件完成的。仍在設(shè)置文件vitis-sys.json中，在Hardware LinkSettings下單擊binary_container_1展開，然后單擊hw_link/binary_container_1-link.cfg；

將binary_container_1-link.cfg顯示更改為Source Editor，并在[connectivity]下添加以下行；

以上計算單元的命名規(guī)則參照Vitis Unified Software Platform Documentation: ApplicationAcceleration Development (UG1393)；

8)在binary_container_1-link.cfg頁面中，將顯示更改回Settings Form并啟用Exporthardware (XSA)。

4.構(gòu)建系統(tǒng)

1）在Vitis Unified IDE的流程導航器中，確保選擇了simple_aie_application_system_project并單擊HARDWARE -> LINK - binary_container_1下的Build Binary Container，當彈出頁面要求構(gòu)建組件（simple_aie_application、mm2s 和 s2mm）時，全選上后單擊OK開始編譯，編譯過程需要一些時間才能完成，依次編譯AI Engine應用工程、HLS硬件內(nèi)核工程、硬件鏈接工程，過一段時間后系統(tǒng)可以成功構(gòu)建并沒有錯誤；



2）可以打開生成的Vivado工程

/simple_aie_application_system_project/build/hw/hw_link/binary_container_1/binary_container_1/vivado/vpl/prj/prj.xpr來查看編譯結(jié)果，可以看到 Vitis 編譯器添加了兩個HLS IP（mm2s和s2mm），并將它們連接到memory（NOC）和 AIEngine IP。

?

在下一步驟中，將創(chuàng)建一個處理系統(tǒng) (PS) 裸機應用程序，并用它來運行該系統(tǒng)。

步驟四：PS 應用程序的創(chuàng)建和運行

在這一步驟中，將學習如何使用上面步驟中生成的XSA構(gòu)建PS裸機應用程序，然后編譯并運行整個系統(tǒng)。

1.在裸機Domain中創(chuàng)建一個新平臺

1）在 Vitis Unified IDE 中，工作區(qū)目錄與上面步驟中相同，單擊File -> New Component-> Platform；

2）將平臺項目名稱設(shè)置為AIE_A-to-Z_pfm_vck190，然后單擊Next；

3）使用上面步驟中生成的XSA，可以在以下位置找到該XSA：

/simple_aie_application_system_project/build/hw/hw_link/binary_container_1.xsa，單擊Next；

4）將Operating system設(shè)置為standalone，將Processor設(shè)置為psv_cortexa72_0，單擊Next，然后下一頁面中單擊Finish；

5）編譯平臺。

2.創(chuàng)建裸機的AI引擎控制應用程序

1）在 Vitis Unified IDE 中單擊File -> New Component -> Application創(chuàng)建一個新應用程序;

2）將應用程序的名稱設(shè)置為A-to-Z_app并單擊Next；

3）選擇剛剛創(chuàng)建的AIE_A-to-Z_pfm_vck190作為平臺，然后單擊Next；

4）選擇 A72_0 domain(standalone_psv_cortexa72_0)，單擊Next，然后在下一頁面中單擊Finish；

5）右鍵單擊A-to-Z_app工程下的src文件夾，然后單擊Import -> Files；

6）將aie_control.cpp從simple_aie_application project工程中( simple_application/build/hw/Work/ps/c_rts/aie_control.cpp)導入到src文件夾中；

7）從文章末下載鏈接下載main.cpp導入到文件夾src中，瀏覽main.cpp文件的內(nèi)容，可以看到代碼正在初始化輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間，需要注意的是這里使用.init()和.run()APIs 來控制AI引擎：

printf("Starting AIE Graph ");

printf("GraphInitialization ");

mygraph.init();

printf("Done ");

printf("- ");

printf("Running Graph for 4iterations ");

mygraph.run(4);

從系統(tǒng)中啟用AI引擎graph有兩種方式：

A. 在 PDI 中啟用graph，這表示該graph將在BOOT 期間啟動并永遠運行；

B.使用.init()和.run()

APIs從PS程序中啟動AI引擎graph，本例中就是使用的該啟動方式。

8)在A-to-Z_app 組件下，打開Settings下的UserConfig.cmake，在Directories中的Include Paths (-I)里添加以下目錄：

A./simple_aie_application/src；

B.$ENV{XILINX_VITIS}/aietools/include。



9)仍在UserConfig.cmake文件中的Libraries部分中添加以下：

A.在Libraries (-l)里添加adf_api；

B.在Librarysearch path (-L)里添加$ENV{XILINX_VITIS}/aietools/lib/aarchnone64.o。

10)修改Linker Script以增加 AIE 庫的heap；

A.展開A-to-z_app組件；

B.在src目錄中，單擊lscript.ld打開該項目Linker Script；

C.在Linker Script中將heap大小修改為0x100000(1MB)。

?

11)構(gòu)建組件A-to-Z_app。

3.打包整個系統(tǒng)

1) 展開simple_aie_application_system_project，在Settings目錄中，單擊打開vitis-sys.json，然后單擊Package Settings下的package.cfg配置文件；

2)在package.cfg的General部分的 Baremetal Elf 設(shè)置中添加以下內(nèi)容，告訴打包程序添加應用程序可執(zhí)行文件，并在A72處理器上運行它；

../../../../A-to-Z_app/build/A-to-Z_app.elf,a72-0

3)在AI Engine部分中，選擇Do not enable cores選項，取消選擇Enabledebug選項；

4)編譯用于硬件仿真的simple_aie_application_system_project項目（單擊Flow 導航器中HARDWARE EMULATION下的Build All ）。

4.在Hardware Emulation中運行系統(tǒng)

現(xiàn)在整個系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)建完成，可以在 hardware emulation中對其進行測試；

1)選中simple_aie_application_system_project，在流程導航器中，單擊HARDWARE EMULATION下的StartEmulator；

2)在Start Emulator彈出窗口中，保留默認設(shè)置并單擊Start；

注意：可以使能Show Waveform選項打開Vivado Simulator，并觀察 PL 信號的波形，如果使能了此選項，請確保在Vivado Simulator中運行simulation，因為 QEMU將等待它。

3)可以在Vitis控制臺中看到應用程序成功運行且沒有錯誤；

4)要停止Emulator，單擊流程導航器中Start Emulator上的ⅹ。

5.針對硬件構(gòu)建系統(tǒng)

在硬件中運行系統(tǒng)之前，需要重建系統(tǒng)以針對硬件；為硬件編譯構(gòu)建simple_aie_application_system_project項目（單擊Flow 導航器中HARDWARE下的Build All ）。

6.在硬件中運行系統(tǒng)

使用 SD 卡運行應用程序：

1)正確連接好開發(fā)板的電源線、JTAG USB 線、UART USB 線，并將啟動模式設(shè)置為 SD 啟動；

2)展開simple_aie_application_system_project組件下的Output -> hw -> package，在該package目錄中，有一個sd_card.img文件；

3)使用balenaEtcher工具將sd_card.img燒錄到SD卡中；

4)啟動連接到VCK190 COM端口的UART終端；

5)將 SD 卡插入開發(fā)板，然后打開開發(fā)板電源，可以看到應用程序成功運行，沒有錯誤。

三總結(jié)

在本文中，基于 VCK190評估板，在Vivado中創(chuàng)建了一個通用的硬件平臺并導出，在Vitis Unified中將 AI Engine 內(nèi)核和 PL 內(nèi)核添加到系統(tǒng)中，并構(gòu)建了 PS 裸機應用程序來控制系統(tǒng)，并在HARDWARE EMULATION和硬件中運行成功。通過以上步驟可以知道怎么把Versal的AIE用起來，希望能夠幫助大家盡快能將AMD Versal中這一全新的創(chuàng)新處理技術(shù)AI引擎運用到項目或者產(chǎn)品中。

下一篇文章會基于這篇文章介紹創(chuàng)建一個運行Linux操作系統(tǒng)的Vitis平臺，并在該平臺上運行AI引擎工程。

審核編輯：劉清