数据流输入输出IPcore时c语言相关内容

左手的ㄟ右手 2022-05-21 00:19 135阅读 0赞

**背景：**卷积的c程序用于FPGA生成IPcore，其中参数的传输用的stream格式。

**目的：**读懂这个程序

相应的单片机程序参考。文档UG902相关内容。

[DMA在linux下PS端c语言相关内容][DMA_linux_PS_c]

**目录**

1. template 模板

1.1函数模板

1.2类模板

1.3参数模板

1.4模板专门化

2.\#ifndef，防止重复编译

3. iostream

4. C++中的&

4.1 取址&

4.2 引用&

主程序解析

5.全局变量与局部变量

6. IPcore主函数的核心：输入输出

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**读懂相关程序**

//top.h
    #ifndef __TOP_H
    #define __TOP_H
    
    template<int D,int U,int TI,int TD>
      struct ap_axif{
        float            data;
        ap_uint<(D+7)/8> keep;
        ap_uint<(D+7)/8> strb;
        ap_uint<U>       user;
        ap_uint<1>       last;
        ap_uint<TI>      id;
        ap_uint<TD>      dest;
      };
    
    typedef ap_axiu<32,1,1,1> AXI_VALUE;
    typedef hls::stream<AXI_VALUE> AXI_STREAM;
    
    void axi_stream_top(AXI_STREAM &inStream, AXI_STREAM &outStream);
    
    #endif

# **1. template 模板** #

模板（Template）指C++程序设计设计语言中采用类型作为参数的程序设计，支持通用程序设计。C++ 的标准库提供许多有用的函数大多结合了模板的观念，如STL以及IO Stream。

[c++模板总结https://blog.csdn.net/qq\_35637562/article/details/55194097][c_https_blog.csdn.net_qq_35637562_article_details_55194097]

*  ## **1.1函数模板** ##

Template <class或者也可以用typename T>
    
    返回类型 函数名（形参表）
    {//函数定义体 }

template是一个声明模板的关键字，在模板定义语法中关键字class与typename的作用完全一样。声明一个模板关键字class不能省略，如果类型形参多余一个 ，每个形参前都要加class <类型 形参表>可以包含基本数据类型也可以包含类类型.

//exmaple
    template <class T>
    T min(T x,T y)
    { return(x<y)?x:y;}
    
    void main( )
    {
         int n1=2,n2=10;
         double d1=1.5,d2=5.6;
         cout<< "较小整数:"<<min(n1,n2)<<endl;
         cout<< "较小实数:"<<min(d1,d2)<<endl;
         system("PAUSE");
    }

程序分析：main()函数中定义了两个整型变量n1 , n2 两个双精度类型变量d1 , d2然后调用min( n1, n2); 即实例化函数模板T min(T x, T y)其中Ｔ为int型，求出n1,n2中的最小值．同理调用min(d1,d2)时，，T为double型，求出d1,d2中的最小值．

*  ## **1.2类模板** ##

类模板的写法

Template < class或者也可以用typename T >
    class类名｛
    ／／类定义．．．．．．
    ｝;

关于类模板的使用:类模板的使用实际上是将类模板实例化成一个具体的类，它的格式为：类名<实际的类型>

*  ## **1.3参数模板** ##

模板可以有类型参数，也可以有常规的类型参数int，也可以有默认模板参数，

*  ## **1.4模板专门化** ##

当我们要定义模板的不同实现，我们可以使用模板的专门化。例如我们定义的stack类模板，如果是char\*类型的栈，我们希望可以复制char的所有数据到stack类中，因为只是保存char指针，char指针指向的内存有可能会失效，stack弹出的堆栈元素char指针，指向的内存可能已经无效了。还有我们定义的swap函数模板，在vector或者list等容器类型时，如果容器保存的对象很大，会占用大量内存，性能下降，因为要产生一个临时的大对象保存a，这些都需要模板的专门化才能解决。

# **2.\#ifndef，防止重复编译** #

2.1 \#ifndef x　　//先测试x是否被宏定义过

2.2 \#define x 　...　//如果没有宏定义下面就宏定义x并编译下面的语句

2.3　\#endif 　　//如果已经定义了则编译\#endif后面的语句

条件指示符\#ifndef检查预编译常量在前面是否已经被宏定义。如果在前面没有被宏定义,则条件指示符的值为真，于是从\#ifndef到\#endif之间的所有语句都被包含进来进行编译处理。相反，如果\#ifndef指示符的值为假，则它与\#endif指示符之间的行将被忽略。条件指示符\#ifndef 的最主要目的是防止[头文件][Link 1]的重复包含和编译。

# **3. iostream** #

iostream 库的基础是两种命名为 istream 和 ostream 的类型,分别表示输入流和输出流。流是指要从某种 IO 设备上读出或写入的字符序列。术语“流”试图说明字符是随着时间顺序生成或消耗的。

标准库定义了 4 个 IO 对象。处理输入时使用命名为 cin(读作 see-in)的 istream 类型对象。这个对象也称为标准输入。处理输出时使用命名为 cout(读作 see-out)的 ostream 类型对象,这个对象也称为标准输出。标准库还定义了另外两个 ostream 对象,分别命名为 cerr 和 clog(分别读作“see-err”和“see-log”)。cerr 对象又叫作标准错误,通常用来输出警告和错误信息给程序的使用者。而 clog 对象用于产生程序执行的一般信息。

因此，当使用<iostream.h>时，相当于在c中调用[库函数][Link 2]，使用的是全局命名空间，也就是早期的c++实现；当使用<iostream>的时候，该头文件没有定义全局命名空间，必须使用namespace std；这样才能正确使用cout。

>>运算符，用来从一个istream对象读取输入数据；

<<运算符，用来向一个ostream对象写入输出数据；

//iostream example
    int test_iostream_cin()
    {
    	char name[50];
    	std::cout << "Please enter your name: ";
    	std::cin >> name;
    	std::cout << "Your name is: " << name << std::endl;
    	return 0;
    }

# 4. C++中的& #

&符号可以用于位与，取址，引用。

## 4.1 取址& ##

变量前面加上&即可。

int i = 0 , *pi = &i;    //指针pi获得了i的地址
    int ** p_pi = π       //指针p_pi获得了pi的地址
    cout << &i << endl 
    << &pi << endl << &p_pi;    //可以输出地址

## 4.2 引用& ##

引用就是被引变量的另一个名字 ， 当改变引用值时 ， 被引值也会改变 ， 因为它们两就是同一个值 ， 另外 ， 引用不能脱离对象单独存在 ， 引用是依附与对象存在的 ， 因为引用在定义后可能被使用 ， 所以引用不能是无对象的 ， 所以引用在定义时必须初始化。

int i = 0 , &ri = i;    //定义并初始化一个引用
    ri++;                 //使i的值加1
    //int &ri2;           这里是非法的 ， 因为定义了引用ri2却没有初始化它 ， 在这行代码和下一行之间可能使用无对象的引用
    //ri2 = i;
    //int &ri3 = 10;
    //错误 ， 引用必须有对象 ， 常量没有对象int i = 0 , j = 0;
    int & ri = i;    //合法 ， ri是i的引用
    ri = j;    //合法 ， ri是j的引用int i = 0;
    int &ri = i , *pi = &i;    //前一个&是引用 ， 与类型名绑定在一起 ， 后一个是取地址
    cout << ri << endl;    //输出i的值
    cout << &i << endl;    //输出i的地址
    cout << &ri << endl;   //输出ri的地址
    cout << &pi << endl;   //输出pi的地址

为什么要有引用 ， 在C++这样一种重视效率的语言里 ， 必然需要这样一种类型 ， 但我们调用一个函数时 ， 就必须把参数全部复制一次 ， 这样既浪费时间又浪费空间 ， 但当我们把函数列表中的形参改为该类型的引用时 ， 编译器就不会把整个对象复制进去 ， 而只是把对象的地址传过去 ， 这样在函数里使用的就是实参本身了 ， 也能够修改它的值。

void reference_test(int &i){   //传入的是引用，不是地址！
            cout << i <<endl;
            i = 0;
            cout << i << endl;    //离开函数后被传入的i的值为0
        }

# **主程序解析** #

//cnn.cpp
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <math.h>
    #include "parameters.h"
    #include "necstream.hpp"
    
    #define REAL float
    #define BIT_WIDTH 32
    
    /* DMA constants */
    float weights[16*27] = {}
    
    void cnn(FloatStream streamIn, FloatStream streamOut)
    {
    	FloatAxis tmp;
    	int i, j, k;
    	int sof = 1;
    
    //DMA buffer and pointers
    	REAL buf_in[27*600];
    	REAL buf_out[16*600];
    	//REAL weights[16*27];
    	REAL temp, result;
    
    
    //Load input image data
    	for (i = 0; i < 27 * 600; i++) {
    #pragma HLS PIPELINE II=1
    		buf_in[i] = streamPop < float, FloatAxis, FloatStream > (streamIn);
    	}
    
    	for (i = 0; i < 16; i++) {
    		for (j = 0; j < 600; j++) {
    			result = 0;
    			for (k = 0; k < 27; k++) {
    				temp = weights[i*27+k] * buf_in[k*600+j];
    				result += temp;
    			}
    			buf_out[i*600+j] = result;
    		}
    	}
    
    	for (i = 0; i < 16 * 600; i++) {
    //#pragma HLS PIPELINE II=1
    		FloatAxis d;
    		d.data = buf_out[i];
    		if (sof) {
    			d.user = 1;
    			sof = 0;
    		} else {
    			d.user = 0;
    		}
    		if (i == 16*600 - 1)
    			d.last = 1;
    		else
    			d.last = 0;
    		d.keep = -1;
    		streamOut << d;
    	}
    }

# **5.全局变量与局部变量** #

//example
    int a,b; /*外部变量*/
    void f1() /*函数f1*/
    {
    ……
    }
    float x,y; /*外部变量*/
    int f2() /*函数f2*/
    {
    ……
    }
    main() /*主函数*/
    {
    int maomi();
    ……
    }/*全局变量x,y作用域 全局变量a,b作用域*/

*  从上例可以看出a、b、x、y 都是在函数外部定义的[外部变量][Link 3]，都是全局变量。但x,y 定义在函数f1之后，而在f1内又无对x,y的说明，所以它们在f1内无效。 a,b定义在源程序最前面，因此在f1,f2及main内不加说明也可使用。
 *  全局变量是使用相同的内存块在整个类中存储一个值.
 *  全局变量extern与static：extern在其他源程序中也可以使用；static只能在本程序中使用。
 *  所以程序中的weights算是全局变量，（存储在DMA constants中？）主函数中可以调用。

# **6. IPcore主函数的核心：输入输出** #

输入：buf\_in\[i\] = streamPop < float, FloatAxis, FloatStream> (streamIn);

streamPop是个类模板。其中有三个参数，float，FloatAxis，FloatStream

6.1 FloatStream和UIntStream分别表示float和unsigned int类型的数据流。

在necstream.hpp程序中的定义：

typedef my_ap_axis<float,32,1,1,1> FloatAxis;
    typedef my_ap_axis<unsigned int,32,1,1,1> UIntAxis;
    typedef hls::stream<FloatAxis> FloatStream;
    typedef hls::stream<UIntAxis> UIntStream;

6.2  streamPop 是一个函数，它的定义也在necstream.hpp中

template <class RET, class DATA, class STREAM>
    RET streamPop(STREAM &stream){
        RET value;
        DATA axisData;
        stream >> axisData;
        value = axisData.data;
        return value;
    }

这个函数的的意思就是把单片机送来的stream送给axisData，然后把axisData.data给value，从而实现从单片机中送来的数据读入IPcore。这样看来单片机中的数据不止是数据，有其他的内容，而IPcore中程序需要用的value只是单片机送来的stream中的一部分。

所以相应的template <class RET, class DATA, class STREAM>

分别对应streamPop < float, FloatAxis, FloatStream> (streamIn);

主函数后面的参数(streamIn)对应于模板里面RET streamPop(STREAM &stream)中的(STREAM &stream)

6.3 输入和输出中，IPcore需要用于运算的数据仅仅是数据data，而与单片机通信的是stream，stream中包括data，但比data多一些其他的内容。

输出时，除了相应的d.data是需要的数据外，多一个d.user和d.last，这个在数据流之中，意思是当d.user为1时意思是数据流的开始，d.last为1时表示数据流的结束。

6.4 具体的输入输出流操作

输入输出参见上面3

>>运算符，用来从一个istream对象读取输入数据；

<<运算符，用来向一个ostream对象写入输出数据；

6.4.1 数据传入中，用streamPop函数来向IPcore传数据，stream>>axisData

6.4.2 数据传出中，加一个d.user和d.last之后，直接<<，把数据传给输出流streamOut

FloatAxis d;
            d.data = buf_out[i];//定义d.data
            //定义d.user和d.last和d.keep
            streamOut << d;

[DMA_linux_PS_c]: https://blog.csdn.net/weixin_36474809/article/details/80761831
[c_https_blog.csdn.net_qq_35637562_article_details_55194097]: https://blog.csdn.net/qq_35637562/article/details/55194097
[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/668911.htm
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E5%BA%93%E5%87%BD%E6%95%B0
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%96%E9%83%A8%E5%8F%98%E9%87%8F