受信したデータは以下の図に示すように、一文字4bitのデータが連続する、VRAM内容を示すログデータです(右側を一部省略)。

VRAMデータ4bitの意味は以下のとおりです。

• bit3: バリケード(シールド)=非画像情報
• bit2: R=画像情報
• bit1: G=画像情報
• bit0: B=画像情報

従って、非画像情報を無視し、次のコードにより画像フォーマットであるPPMに変換します。

log2ppm.c

#include 
void main() {
      char line[4096];
      char ch;
      printf("P3\n256 256\n255\n");
      for(int y = 0; y <= 255; y++) {
            fgets(line, sizeof(line), stdin);
            for(int x = 0; x <= 255; x++) {
                  ch = line[x] - 0x30;
                  if ((ch & 0x4) != 0) printf("255 ");    // R
                  else printf("0 ");
                  if ((ch & 0x2) != 0) printf("255 ");    // G
                  else printf("0 ");
                  if ((ch & 0x1) != 0) printf("255 ");    // B
                  else printf("0 ");
            }
            printf("\n");
      }
}

以下のコマンドによりフィルタを作成します。

$ gcc -O log2ppm.c -o log2ppm

上記のようにフィルターとして実行し、ログデータを画像ファイルに変換します。

$ ./log2ppm putty.ppm

生成されたファイルを画像処理ツールであるgimp2で開くと以下のように正常に受信されています。

以上で、ゲームのメモリダンプ機能がひとおおり完成しました。ゲームの状態を吸い出したのは、これをオートエンコーダによりCNNに認識させるのを目的としています。

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出来上がったモジュールの図を図406.1に示します。

シリアルデータ出力はUART_TXに接続します。これによりFPGAボード(正確にはアダプタボードであるAES-ACC-U96-JTAGボード)上でUSBに変換され、ケーブルを経由してPCのPuttyで受信します。今回は230,400 bps、COMは6番だったので、以下のようにPuttyの受信パラメータ及びログの場所を設定します。

ゲームをスタートさせて、FPGAボード上のダンプスイッチを押すと、ゲームが一時停止し、FPGAボードからはPuttyに対して以下のようなデータを送信して来ます。右端はチェックサムですが、この程度の通信速度ではデータ化けはしていないようです。

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システム構成図

ハンドシェークアルゴリズム

以下に処理のハンドシェークを示します。

• ボード上のスイッチが押されstart信号が出力される。
• メモリダンパはstartに基づき、sreqを出力し、GameFSMに停止を要求。
• GameFSMは停止要求の有無に関わらず、フレームの最後で60Hzの立ち上がりを待つ。その際にcwaitを出力。
• メモリダンパはcwait(=GameFSMの停止)に基づき、以下のメモリダンプ動作をアドレス分だけ繰り返し。
•     selをTrueにしてバス権(アドレス権)を取得
•     アドレスを出力
•     データを取得
•     アスキー化してシリアルデータとして出力
• メモリダンパは終了時にsreqをネゲート。
• GameFSMはsreqがネゲートされるのを待ち、cwaitをネゲートしフレーム先頭から再開。

ゲームFSM側のBSVコードの修正

修正したGameFSM.bsvのウエイトルーチンを示します。

GameFSM.bsv

// 時間待ち
function Stmt wait_timer(
              UInt#(12) count
              );
   return (seq
   testOut <= True;
      repeat(pack(extend(count))) seq
         await(tic == 0);
         await(tic == 1 && sreq == 0);
      endseq
   testOut <= False;
   endseq);
endfunction

元々のtest出力信号(wait時を示す)testOut信号をそのままcwait(ゲームFSMのwaitを示す)として使用します。

元々は、60Hzの立下りを

         await(tic == 0);

このように待った後、立ち上がりに同期して

         await(tic == 1);

このように、ウエイトをリリースする(ウエイトルーチンから抜ける)仕様でした。今回それに加えて、メモリダンプからの停止要求がリリースされていることを

         await(tic == 1 && sreq == 0);

このようにAND条件で加えました。これにより、ウエイトしている状態は元々testOut(=cwait)として出力されていたため、それを用いてメモリダンプの開始信号としています。

GameFSMのインタフェースにメモリダンパからの停止要求信号sreqを加えます。

GameFSM.bsv

(* prefix="" *)
   method Action sreqm(Bit#(1) in_sreq);

次にワイヤ定義を記述します。

GameFSM.bsv

Wire#(Bit#(1)) sreq <- mkWire;

最後にメソッド定義を示します。

GameFSM.bsv

method Action sreqm(Bit#(1) in_sreq);
    sreq <= in_sreq;
endmethod

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メモリダンプモジュールを組み込むにあたり、前回までテストベンチ(=最上位)であった階層をモジュール化します。外部インタフェースは図404.1のとおりです。

• start (入力): ボード上のスイッチであり、画像ダンプの起動スイッチです。
• sreq (出力): GameFSMに対して(デュアルポートメモリに対して)バス権を要求する信号です。
• cwait (入力): GameFSMが60Hzの同期待ち状態にある信号です。これはバス権を放棄している信号でもあるので、流用します。
• addr (出力): デュアルポートメモリアドレスです。Muxを介してデュアルポートメモリに接続します。
• data (入力): デュアルポートメモリからの4bitデータです。
• sel (出力): Muxの制御信号であり、Trueでデュアルポートメモリのアドレスがメモリダンプモジュール側であることを示します。
• read (出力): シリアルデータ出力です。

入力

(* prefix="" *)　　// method名を削除するため
method Action startm(Bool newstart);
(* prefix="" *)
method Action datam(Data newdata);
(* prefix="" *)
method Action cwaitm(Bool newcwait);

(* synthesize, always_enabled="startm, datam, cwaitm" *)   // EN_xxxを削除するため

出力

method Bool sreqm();
method Addr_t addrm();
method Bool selm();
method Bit#(1) readm();

(* synthesize, always_ready="sreqm, addrm, selm, readm" *)   // RDY_xxxを削除するため

入出力は上記のとおりメソッドで定義し、入力はmethod Action、出力はmethodで定義します。

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前稿で設計したアドレスマルチプレクサを組み込んだVRAMの構成図を図403.1に示します。

selはa側のアドレスについて、a1(GameFSM)側を使用するかa2(DumpFSM)側を使用するかを決定する信号です。

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RAMアドレスマルチプレクサの設計

VRAMアクセスするマスタに、FSM、CRTCに加えてメモリダンパが加わりました。しかしながらBRAMのポートが2つまでなので、FSM側のアドレスバスをシェアします。CRTCは常にアクセスしているのに比べて、メモリダンパはFSMが動作していない時のメモリ状態を観測するためだからです。アドレスシェアのためのマルチプレクサを設計します。

Mux.bsv

typedef Bit#(16) Addr_t;

interface Mux_ifc;
   (* prefix="" *)
   method Addr_t outp(Bool sel, Addr_t a, Addr_t b);
endinterface

(* synthesize, always_ready = "outp", no_default_clock, no_default_reset *)
module mkMux(Mux_ifc);
   method Addr_t outp(Bool sel, Addr_t a, Addr_t b);
     if (sel) return b;
     else     return a;
   endmethod
endmodule

出力のハンドシェーク端子は不要であるため、

(* synthesize, always_ready = "outp" *)

を指定して削除しています。さらに、組み合わせ回路であるため、clock, resetを使用していないので、それらポートを削除するために、

(* no_default_clock, no_default_reset *)

を指定しています。また、入力ピン名が、メソッド名_変数名、例えばoutp_a等のように複雑になるのを防止するため、

(* prefix="" *)

を指定してメソッド名を消しています。

これを合成すると以下のようなVerilogになります。

mkMux.v

//
 // Generated by Bluespec Compiler (build 38534dc)
 //
 // On Thu May 20 14:21:23 JST 2021
 //
 //
 // Ports:
 // Name                         I/O  size props
 // outp                           O    16
 // sel                            I     1
 // a                              I    16
 // b                              I    16
 //
 // Combinational paths from inputs to outputs:
 //   (sel, a, b) -> outp
 //
 //

 `ifdef BSV_ASSIGNMENT_DELAY
 `else
   `define BSV_ASSIGNMENT_DELAY
 `endif

  `ifdef BSV_POSITIVE_RESET
   `define BSV_RESET_VALUE 1'b1
   `define BSV_RESET_EDGE posedge
 `else
   `define BSV_RESET_VALUE 1'b0
   `define BSV_RESET_EDGE negedge
 `endif

 module mkMux(sel,
         a,
         b,
         outp);
   // value method outp
   input  sel;
   input  [15 : 0] a;
   input  [15 : 0] b;
   output [15 : 0] outp;

   // signals for module outputs
   wire [15 : 0] outp;

   // value method outp
   assign outp = sel ? b : a ;
 endmodule  // mkMux

わずか、 assign outp = sel ? b : a ; という一行のverilogを得るためにいろいろと記述していますが、これはBSVの練習のためでもあります。

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以下のスクリプトでVerilogシミュレーションを実行します。

$ bsc -verilog -u Tb.bsv
cp top-original.v top.v
emacs -nw top.v
// emacsでautomodeにより、top.vを生成
iverilog -y /usr/local/lib/Bluespec/Verilog/ top.v mkTb.v mkUart.v -o mkTb.exe
./mkTb.exe
gtkwave -A verilog.vcd

図はちょうど1行を送信したところで、横方向のxが256(xは255までだがチェックサム出力の際に256となる)から0に戻り、縦方向のyが0から1になった時点の波形です。データを0x33, 0x66, 0x0a, 0x30, 0x64と送信しています。

ストップビットを1ビットに削ったところ、1,582,090サイクルとなりました。1アスキーバイトあたり12サイクルなので、8bitの他、スタートが1bit、ストップが3bit相当となっています。送信時間は

• 115,200bpsでは6.9秒
• 230,400bpsでは3.4秒
• 460,800bpsでは1.7秒
• 921,600bpsでは0.9秒

となります。バイナリだとこれの半分の時間となるはずですが、デバッグの都合上アスキーコードの転送とします。

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前稿の疑似コードをBSVに変換します。作成したBSVプログラムを以下に示します。

Tb.bsv

import StmtFSM::*;
import mkUart::*;
import RegFile::*;

typedef Bit#(16) Addr_t;
typedef Bit#(4) Data_t;
typedef Bit#(8) Byte;

(* synthesize *)
module mkTb();
      RegFile#(Addr_t, Data_t) rom <- mkRegFileLoad("data.hex", 0, 65535);
      Reg#(Addr_t) address <- mkReg(0);
      Reg#(Data_t) data <- mkReg(0);
      Reg#(Byte) byteData <- mkReg(0);
      Reg#(int) x <- mkReg(0);
      Reg#(int) y <- mkReg(0);
      Reg#(Data_t) checksum <- mkReg(0);
      Uart_ifc uart <- mkUart();

      function Stmt nibbleOut(Data_t nibble);
            return (seq
                  byteData <= extend(nibble) + (nibble >= 10) ? (- 10 + 8'h61) : 8'h30;
                  uart.load(byteData);
                  // $write("%c", byteData);
            endseq);
      endfunction: nibbleOut

      Stmt test = seq
            for (y <= 0; y <= 255; y <= y + 1) seq
                  checksum <= 0;
                  for (x <= 0; x <= 255; x <= x + 1) seq
                        data <= rom.sub(address);
                        address <= address + 1;
                        checksum <= checksum + extend(data);
                        nibbleOut(data);
                  endseq
                  nibbleOut(truncate(checksum >> 4));
                  nibbleOut(truncate(checksum));
                  uart.load(8'h0a); // LF
                  // $display("");
            endseq
            await(uart.done());
            $finish;
      endseq;

      mkAutoFSM(test);
endmodule

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上位モジュールの最適化

メモリダンプアルゴリズムが疑似コードにより記述できたので、最適化を実施します。以下のような処理が3回出てくるので、nibbleOutという関数にまとめます。

     lower += (lower >= 10) ? (-10 + "a") : "0";

この共通化を実施した全体の動作を疑似コードにより示します。

疑似コード

int x, y, address;
byte byteData, checksum;

address = 0;
for (y=0 to 255) {
      checksum = 0;
      for (x = 0 to 255) {
            data = memory[address++];
            checksum += data;
            nibbleOut(data);
      }
      nibbleOut(checksum>>4);
      nibbleOut(checksum);
      uart.load(LF);
}

function nibbleOut(nibble) {
      byteData = nibble + (nibble >= 10) ? (- 10 + "a") : "0";
      uart.load(byteData);
}

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上位モジュールの設計

1バイトの送信はうまく行ったようなので、上位モジュールMemoryDumpを設計します。概略仕様を以下に示します。

• 1ワードが4bitで構成されるメモリをダンプします。
• メモリのアドレス0からの内容を65536ワード送信します。
• 256行×256列で送信し、1行毎にチェックサムを送信します。
• 1バイトのバイナリは表示可能な2バイトのアスキーコードに変換します。
• 行末は改行します。

メモリ空間は64Kバイトあります。以下にアルゴリズムをC likeの疑似コードにより示します。

疑似コード

int x, y, address;
byte data, checksum, upper, lower;

address = 0;
for (y=0 to 255) {
      checksum = 0;
      for (x = 0 to 255) {
            data = memory[address++];
            checksum += data;
            data += (data >= 10) ? (-10 + "a") : "0";
            uart.load(data);
      }
      upper = (checksum >> 4) &  8'h0f;
      upper += (upper >= 10) ? (-10 + "a") : "0";
      uart.load(upper);
      lower = checksum &  8'h0f;
      lower += (lower >= 10) ? (-10 + "a") : "0";
      uart.load(lower);
      uart.load(LF);
}

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