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VHDL で書くマージソーター(ArgSort-Ultra96)

Last updated at 2022-03-29Posted at 2022-03-28

はじめに

別記事「はじめに」を参照してください。

この記事では「Argsort IP」で紹介した ArgSort_AXI IP を Ultra96 に実装した結果を紹介します。

この記事で説明する ArgSort-Ultra96 はGitHub にて公開しています。

https://github.com/ikwzm/ArgSort-Ultra96

ArgSort-Ultra96 のデザイン

デザインブロック

ArgSort-Ultra96 は次図のようなデザインになっています。

Fig.1 ArgSort-Ultra96 のデザインブロック

ArgSort_AXI のバージョンは 1.2 です。前回説明した「ArgSort IP」で説明した IP のバージョンは 1.3 ですが、ArgSort-Ultra96 を実装した時期は少し古いため 1.2 を使っています。

ArgSort_AXI の STM_AXI は ZynqMP-ACP-Adapter を通して PS 部の S_AXI_ACP_FPD に接続しています。ZynqMP-ACP-Adapter と ACP に関する詳細な説明は次の記事を参照してください。

『ZynqMP ACP と AXI をつなぐアダプタ』 @Qiita

ArgSort_AXI、 ZynqMP-ACP-Adapter、AXI Interconnect のクロックは PS 部の PL_CLK0 を直接接続しています。PL_CLK0 の周波数はソフトウェアによって 250MHz に設定されます。

ArgSort_AXI のパラメータの設定値

ArgSort_AXI の主なパラメーターは次のように設定しています。これらのパラメーターのうち、MRG_WAYS、MRG_WORDS、STM_FEEDBACK の値を振ってそれ毎にビルドしたリソース量と実行時間を計測しました。

Table.1 ArgSort_AXI の主なパラメータの設定値

Parameter		Value
Categoly	Name	Value
CORE	WORD_BITS	32
	INDEX_BITS	32
	COMP_SIGN	FALSE
	SORT_ORDER	0
	MRG_WAYS	[16,32] (可変)
	MRG_WORDS	[1,2](可変)
	STM_FEEDBACK	[0,1,2] (可変)
STM_AXI	STM_AXI_ADDR_WIDTH	32
STM_AXI	STM_AXI_DATA_WIDTH	128
MRG_AXI	MRG_AXI_ADDR_WIDTH	32
MRG_AXI	MRG_AXI_DATA_WIDTH	128

結果

使用リソース

次表に MRG_WAYS、MRG_WORDS、STM_FEEDBACK を振ったそれぞれのデザインを Ultra96 に実装した時のリソースの使用状況を示します。なお、MRG_WASY が32 で MRG_WORDS が2 以上は Ultra96 で使われているデバイスには入りきりませんでした。

Table.2 Utilization

Design				Resources				Freq
Name	MRG WAYS	MRG WORDS	STM FB	CLB LUTs	CLB Register	BLOCK RAM	DSPs	Freq [MHz]
argsort_16_1_0	16	1	0	42142	27011	38	0	250
argsort_16_1_1	16	1	1	41865	27249	38	0	250
argsort_16_1_2	16	1	2	41799	26261	54	0	250
argsort_16_2_0	16	2	0	59246	55456	38	0	250
argsort_16_2_1	16	2	1	60828	57063	38	0	250
argsort_16_2_2	16	2	2	58819	55210	70	0	250
argsort_32_1_0	32	1	0	64126	45025	70	15	250
argsort_32_1_1	32	1	1	66621	46356	70	15	250
argsort_32_1_2	32	1	2	64988	44866	198	15	250
argsort_32_2_0	32	2	0	resource over
zcu3egsbva48-1 resouce available				70560	141120	216	360

Ultra96 で使われているデバイスが持っている LUT の数のうち、使用した LUT の数を次図に示します。

Fig.2 Utlization(LUTs %)

性能

次表にMRG_WAYS、MRG_WORDS、STM_FEEDBACK を振ったそれぞれのデザインを Ultra96 で実行した時にかかった時間とスループットを示します。

ソートするワード数は、5,000ワードから 1,000,000ワードまでを 5000 ワード毎にかかった時間を計測していますが、そのうち下の表には 10,000ワード、100,000ワード、1,000,000 ワードの時の時間を示しています。スループットは、5,000ワードから 1,000,000ワードまでを 5000 ワード毎に計測したスループット(ソートするワード数/かかった時間)の平均値を示しています。

参考までに最下行に ZynqMP の CPU(arm64) で numpy ライブラリの argsort() でソートした時間とスループットを示しています。

Table.3 Performance

Design				Sort time [msec]			Throughput Average [Mwords/sec]
Name	MRG WAYS	MRG WORDS	STM FB	10K [words]	100K [words]	1M [words]	Throughput Average [Mwords/sec]
argsort_16_1_0	16	1	0	0.569	4.766	54.456	18.75
argsort_16_1_1	16	1	1	0.400	3.000	34.355	29.51
argsort_16_1_2	16	1	2	0.384	2.674	27.644	36.04
argsort_16_2_0	16	2	0	0.436	3.219	42.970	24.13
argsort_16_2_1	16	2	1	0.325	2.047	31.311	33.89
argsort_16_2_2	16	2	2	0.328	1.802	26.314	40.01
argsort_32_1_0	32	1	0	0.422	3.384	39.381	25.69
argsort_32_1_1	32	1	1	0.341	2.494	27.748	36.31
argsort_32_1_2	32	1	2	0.595	2.711	27.433	36.79
ZynqMP(arm64) numpy.argsort()				1.790	32.036	1320.921	1.49

次図にスループットの平均値をグラフで示します。

Fig.3 Throughput Average [Mwords/sec]

テストの手順

テスト環境

ハードウェア: Avnet Ultra96-V2
ソフトウェア: ZynqMP-FPGA-Linux v2021.1.1 (Linux Kernel 5.10 + Debian 11)

インストール

Ultra96/Ultra96-V2 の準備

Ultra96/Ultra96-V2 に ZynqMP-FPGA-Linux または ZynqMP-FPGA-Ubuntu20.04 をインストールします。インストール方法は次のURLを参照してください。

ArgSort-Ultra96 のダウンロード

次のように Ultra96/Ultra96-V2 に ArgSort-Ultra96 をダウンロードします。

fpga@debian-fpga:~/$ git clone --branch 1.2.1 git://github.com/ikwzm/ArgSort-Ultra96.git
fpga@debian-fpga:~/$ cd ArgSort-Ultra96

FPGA ビットストリームとデバイスツリーのインストール

次のようにテストの対象となるデザインのビットストリームファイルとデバイスツリーを Ultra96/Ultra96-V2 にインストールします。デバイスツリーのインストールには Device Tree Overlay を使用しています。インストールするための Rakefile を用意しているので、rake コマンドを実行してインストールします。環境変数 TARGET にはデザイン名を指定します。

fpga@debian-fpga:~/ArgSort-Ultra96$ sudo TARGET=argsort_16_2_2 rake install
gzip -d -f -c argsort_16_2_2.bin.gz > /lib/firmware/argsort_16_2_2.bin
./dtbocfg.rb --install argsort --dts argsort_16_2_2_5.4.dts
/tmp/dtovly20201118-1281-1tf8e0q: Warning (unit_address_vs_reg): /fragment@2/__overlay__/uio_argsort: node has a reg or ranges property, but no unit name
/tmp/dtovly20201118-1281-1tf8e0q: Warning (avoid_unnecessary_addr_size): /fragment@2: unnecessary #address-cells/#size-cells without "ranges" or child "reg" property
[10952.701089] fpga_manager fpga0: writing argsort_16_2_2.bin to Xilinx ZynqMP FPGA Manager
[10952.861395] OF: overlay: WARNING: memory leak will occur if overlay removed, property: /fpga-full/firmware-name
[10952.874409] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: driver version : 1.7.1
[10952.879998] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: device name    : amba_pl@0:fclk0
[10952.886447] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: clock  name    : pl0_ref
[10952.892194] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: clock  rate    : 249999998
[10952.898138] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: clock  enabled : 1
[10952.903363] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: remove rate    : 1000000
[10952.909107] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: remove enable  : 0
[10952.914327] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: driver installed.
[10952.935858] u-dma-buf udmabuf-argsort-in: driver version = 3.2.0
[10952.941868] u-dma-buf udmabuf-argsort-in: major number   = 241
[10952.947704] u-dma-buf udmabuf-argsort-in: minor number   = 0
[10952.953360] u-dma-buf udmabuf-argsort-in: phys address   = 0x0000000070400000
[10952.960498] u-dma-buf udmabuf-argsort-in: buffer size    = 33554432
[10952.966762] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_in: driver installed.
[10952.988678] u-dma-buf udmabuf-argsort-out: driver version = 3.2.0
[10952.994773] u-dma-buf udmabuf-argsort-out: major number   = 241
[10953.000697] u-dma-buf udmabuf-argsort-out: minor number   = 1
[10953.006438] u-dma-buf udmabuf-argsort-out: phys address   = 0x0000000072400000
[10953.013662] u-dma-buf udmabuf-argsort-out: buffer size    = 33554432
[10953.020014] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_out: driver installed.
[10953.085033] u-dma-buf udmabuf-argsort-tmp: driver version = 3.2.0
[10953.091130] u-dma-buf udmabuf-argsort-tmp: major number   = 241
[10953.097060] u-dma-buf udmabuf-argsort-tmp: minor number   = 2
[10953.102804] u-dma-buf udmabuf-argsort-tmp: phys address   = 0x0000000074400000
[10953.110028] u-dma-buf udmabuf-argsort-tmp: buffer size    = 134217728
[10953.116466] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_tmp: driver installed.

テストの実行

サンプルデータの生成

ソートするデータのサンプルを用意します。サンプルデータを生成する Python スクリプト generage_sample.py を用意しています。生成するデータの大きさを指定してサンプルデータを生成します。このスクリプトを直接実行するか、rake コマンドから実行します。

fpga@debian-fpga:~/ArgSort-Ultra96$ rake sample_0001000000.npy
python3 generate_sample.py --size 1000000 --sample sample_0001000000.npy
generate_sample: sample_file : sample_0001000000.npy
generate_sample: size        : 1000000
generate_sample: time        : 44.262 [msec]

期待値データの生成

サンプルデータを Python の numpy.argsort() を使ってソートしたデータを用意します。これは ArgSort-Ultra96 によってソートした結果データと比較して正常にソートされたかをチェックするのに使います。期待値データを生成する Python のスクリプト generate_expect.py を用意しています。このスクリプトを直接実行するか、rake コマンドから実行します。ついでに期待値データを生成する時間を計測してログに残しておきます。

fpga@debian-fpga:~/ArgSort-Ultra96$ rake expect_0001000000.npy
python3 generate_expect.py --sample sample_0001000000.npy --expect expect_0001000000.npy --log expect.log
generate_expect: sample_file  : sample_0001000000.npy
generate_expect: expect_file  : expect_0001000000.npy
generate_expect: size         : 1000000
generate_expect: average_time : 1325.425 # [msec]
generate_expect: throughput   :    0.754 # [mwords/sec]

ArgSort-Ultra96 を実行

ArgSort-Ultra96 を実行してサンプルデータをソートします。ソートされた結果のデータを保存し、ソートにかかった時間を計測してログに残します。ArgSort-Ultra96 を実行する Python スクリプト argsort_test.py を用意しています。また、ArgSort-Ultra96 がソートした結果と numpy.argsort() がソートして期待値とを比較します。比較する Python スクリプト check_result.py を用意しています。これらのスクリプトを直接実行するか、rake コマンドから実行します。

fpga@debian-fpga:~/ArgSort-Ultra96$ rake test_1000000
python3 argsort_test.py --sample sample_0001000000.npy --result result_0001000000.npy -n 10 -d 2 --log argsort_16_2_2.log
argsort_test   : Version      : 1.2
argsort_test   : Ways         : 16
argsort_test   : Words        : 2
argsort_test   : Feedback     : 2
argsort_test   : WordBits     : 32
argsort_test   : IndexBits    : 32
argsort_test   : Sort Order   : 0
argsort_test   : Sign Compare : 0
argsort_test   : Max Size     : 268435455
argsort_test   : Debug Enable : 1
argsort_test   : sample_file  : sample_0001000000.npy
argsort_test   : size         : 1000000
argsort_test   : debug_mode   : 2
argsort_test   : loops        : 10
argsort_test   : time         :   26.149 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.515 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.186 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.037 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.611 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.458 # [msec]
argsort_test   : time         :   25.907 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.645 # [msec]
argsort_test   : time         :   26.656 # [msec]
argsort_test   : time         :   25.674 # [msec]
argsort_test   : result_file  : result_0001000000.npy
argsort_test   : average_time :   26.284 # [msec]
argsort_test   : throughput   :   38.046 # [mwords/sec]
argsort_test   : Debug_Time(0):   25.199 # [msec]
argsort_test   : Debug_Time(1):   16.501 # [msec]
argsort_test   : Debug_Time(2):    4.860 # [msec]
argsort_test   : Debug_Time(3):    3.838 # [msec]
python3 check_result.py --sample sample_0001000000.npy --result result_0001000000.npy --expect expect_0001000000.npy
check_result: sample file : sample_0001000000.npy
check_result: expect file : expect_0001000000.npy
check_result: result file : result_0001000000.npy
check_result: OK

アンインストール

デバイスツリーのアンインストール

テストが終わったらデバイスツリーをアンインストールします。別のデザインをインストールして実行するためには必ず現在のデザインをアンインストールしておく必要があります。アンインストールにもインストールと同様に Device Tree Overlay を使います。インストールと同様に rake コマンドを使ってアンインストールします。

fpga@debian-fpga:~/ArgSort-Ultra96$ sudo rake uninstall
./dtbocfg.rb --remove argsort
[11218.745653] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_tmp: driver removed.
[11218.757907] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_out: driver removed.
[11218.770021] u-dma-buf amba_pl@0:udmabuf_argsort_in: driver removed.
[11218.777459] fclkcfg amba_pl@0:fclk0: driver removed.

デザインのビルド

ビルド環境

開発ツール: Xilinx Vivado 2020.1 or 2020.2
IP: ArgSort_AXI IP 1.2、ZynqMP-ACP-Adapter IP v0.4

ArgSort-Ultra96 のダウンロード

次のようにビルド用コンピューターに ArgSort-Ultra96 をダウンロードします。

shell$ git clone --branch 1.2.1 --recursive git://github.com/ikwzm/ArgSort-Ultra96.git
shell$ cd ArgSort-Ultra96

ビルド用スクリプトファイル

各デザイン毎にスクリプトファイルを用意しています。 argsort_16_2_2 を例にすると次のようになります。

argsort_16_2_2/
- create_project.tcl
- design_1.bif
- design_1_bd_2020.1.tcl
- design_1_bd_2020.2.tcl
- design_1_pin.xdc
- implementation.tcl

ビルド環境の設定

Xilinx Vivado 2020.1 または 2020.2 が動作する環境を設定します。

shell$ source /opt/Xilinx/Vivado/2020.2/settings64.sh

プロジェクトの生成

プロジェクトを生成するためには、スクリプトが格納されているディレクトリに移動して vivado で create_project.tcl を実行します。以下の例では vivado のコマンドラインから実行しています。

shell$ cd argsort_16_2_2
shell$ vivado -mode batch -source create_project.tcl

論理合成と配置配線

プロジェクトの論理合成と配置配線をしてビットストリームファイルを生成するためには implementation.tcl を使用します。

shell$ vivado -mode batch -source implementation.tcl

生成されたビットストリームファイルは project.runs/impl_1/design_1_wrapper.bit です。なお、このスクリプトでビットストリームファイルを生成した場合は、使用リソースやタイミングチェックなどのレポートファイル project.rpt が生成されます。

バイナリ—ファイルの生成

ビットストリームファイルから PL はダウンロードするためのバイナリ—ファイルを生成するためには、bootgen コマンドと design_1.bif を使います。

shell$ bootgen -image design_1.bif -arch zynqmp -w -o ../argsort_16_2_2.bin
shell$ cd ..
shell$ gzip argsort_16_2_2.bin

所感

バス帯域について

ArgSort で使用しているマージソーターコアは「マルチワードマージソートノード」で説明したように１クロックあたりに出力できるワード数を複数ワードにすることができます。ArgSort_AXI IP 1.2 ではこのパラメータの値は MRG_WORDS で指定します。

本来ならこのパラメータを１から２に変更することで性能が倍になるはずです。しかし次の表で示すようにそれほどの差は無いように思われます。

Table.4 MRG_WORDSの違いによる性能の比較

Design				Throughput Average [Mwords/sec]	MRG_WORDS 1-> 2 Up [%]
Name	MRG WAYS	MRG WORDS	STM FB
argsort_16_1_0	16	1	0	18.75	28.69 % Up
argsort_16_2_0		2		24.13
argsort_16_1_1	16	1	1	29.51	14.84 % Up
argsort_16_2_1		2		33.89
argsort_16_1_2	16	1	2	36.04	11.02 % Up
argsort_16_2_2		2		40.01

そこで ArgSort IP の MRG-AXI の波形を ILA(Integrated Logic Analyzer) で実測してみました。

Fig.4 ArgSort IP の MRG-AXI の波形

この波形をみて分かる通り、データの読み出しと書き込みが同時に発生すると、読み出しと書き込み双方の転送速度が落ちているのがわかります。

これは考えてみれば当たり前の話で、もし argsort_16_2_2 がフルに動作するためには MRG-AXI のデータ帯域は 128bit(16Byte=ソートデータの2ワード分)×250MHz(動作周波数)×２(読み出しと書き込みの同時アクセス) で8GByte/sec 必要になります。しかし、Ultra96-V2 のシステムメモリである DDR-SDRAM は32bit(4Byte)×2(DDR分)×533MHz で 4.264GByte/sec しかありません。つまり元々システムメモリの帯域が足りなかったのです。私の設計ミスでした。

参照

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