10_自定义Overlay设计流程

简介：

本章节将介绍如何设计自定义Overlay。

重新设计Overlay类有三个主要的设计目标：

a. 方便使用者采用前后一致的方式找到Overlay里包含的功能

b. 为新的硬件设计中新的IP提供简单的测试方法

c. 在不同的Overlay之间重复使用IP

本章节主要阐明了如何将新的IP在系统中互联，驱动的开发方法以及使用多个IP来创建一个复杂的系统。

开发一个独立的IP

在这个简单的例子中我们将使用一个通过HLS工具生成的IP，一个32位加法器。HLS源代码

在Vivado block design中，除了该HLS IP之外，还需要一些胶连逻辑来将该IP连接到ZYNQ7 PS侧。在本章节假设读者已经具备了基本的硬件设计基础，所以将不再包含硬件部分的详细步骤，最终在block design上的连接如下图所示：

为了和IP进行交互，我们需要加载包含该IP的Overlay。

新创建的overlay将会自动下载bitstream到FPGA，我们可以在overlay名称后面加“？”来获取overlay的内容。如下所示：

Overlay中所有的入口（设备）都可以通过overlay的类属性来访问，属性里包含了特定的驱动。

比如，通过访问Overlay中的scalar_add属性，将会为该IP创建驱动。因为没有已知和scalar_add对应的驱动，在我们和该IP交互的时候，DefaultIP将会作为该IP的驱动被使用。

通过读取该IP的hls源代码，我们可以知道该IP的具体使用方法，需要在在偏移地址0x10和0x18写入参数，然后从偏移地址0x20读取计算结果。

创建驱动

虽然DefaultIP被用来验证IP是否可以正常工作非常有用，但是对于Overlay的最终使用者来说，这样的方式并不友好。理想的情况是，我们为该IP提供一个特定的驱动，软件工程师像调用一个add函数一样来使用该硬件加速器。客制化的驱动需要继承DefaultIP，并根据IP类型添加一个类属性bindto。

类的构造方法使用了一个description参数，并将其传给super class的init构造方法。

Description是一个包含了地址分配、中断和连接到该IP的GPIO的字典。

在定义完新的驱动之后，如果我们重新加载overlay并查询帮助，就可以看到我们新的驱动已经和IP绑定了。

现在我们可以使用客制化的驱动，通过add方法取代DefaultIP来调用硬件IP。

重用IP

假设有其他人在重新设计Overlay的时候需要用到一个现成的IP。只要import包含了该IP驱动的python文件就会为该IP自动创建驱动。在本例中，我们假设在新的设计中使用了一个重新命名的Add，odd_add。

通过查询可知驱动也被绑定到新的overlay了。

IP层次结构（Hierarchies）

上图中的block design中的const_multiply包含了如下的层级。

它包含了一个用于数据流与常量乘法的客制化IP，以及一个用于数据传输的DMA控制器（Engine）。因为流（stream）的使用，我们需要正确的控制DMA控制器中的TLAST信号，在HLS源代码中需要增加相应的progma和数据类型（types），虽然相对有一点复杂，但代码还是比较短。

通过查找HLS生成的文档，会发现需要通过配置偏移地址0x10寄存器的值来配置我们需要的常量。我们可以写一个简单的驱动来实现这个目的。

因为DMA的驱动已经存在于PYNQ的驱动中，所以只需要确保模块文件已经正确import即可。重新加载overlay可以确保我们新写的驱动生效。

DMA驱动会传输numpy类型的数组到事先通过xlnk()方法allocate DRAM的空间。让我们做一个测试，将5个数值与常数3相乘，获取计算结果。

我们会发现这种使用IP的方式对用户仍然不是很友好。更好的方式是将整个层级当作一个整体，写一个隐藏内部层级结构细节的驱动。Overlay类允许写类似于IP的隐藏层级结构细节的驱动，但细节稍有不同。

层级结构（Hierarchy）驱动需要继承pynq.DefaultHierarchy，类似于DefaultIP，它也有一个需要输入层级结构描述参数的构造函数。为了确定驱动是否应该绑定到（bind to）特定的层级结构（Hierarchy），类中包含了一个静态方法checkhierarchy，该方法会调用层级结构描述并判断驱动是否应该bind to该层次，如果是则返回True，否则会返回false。跟Default IP类似，任何满足需求的DefaultHierarchy的继承类都有一个checkhierarchy方法被自动注册。

对本设计中的常量乘法，驱动应该如下所示：

我们可以重新加载overlay来确保更高级的驱动被加载。

调用新的驱动。