C - ISITカーエレクトロニクス研究会

第9回 カーエレクトロニクス研究会
MATLABとC言語ベース高位合成の連携
によるハードウエア設計事例
2011年10月14日
富士通九州ネットワークテクノロジーズ株式会社
第一開発統括部 第一技術部
斎藤 睦巳
富士通九州ネットワークテクノロジーズ株式会社秘密情報
Copyright 2011 Fujitsu Kyushu Network Technologies LIMITED
Agenda
会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
第9回 カーエレクトロニクス研究会
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会社紹介
【社名】
富士通九州ネットワークテクノロジーズ株式会社 (QNET)
(Fujitsu Kyushu Network Technologies Limited)
http://jp.fujitsu.com/group/qnet/
【所在地】
本社：福岡市早良区百道浜2-2-1 富士通九州R&Dセンター
広島事業所：広島市南区段原南1-3-53 広島イーストビル
【事業内容】
 ネットワークシステム・端末のソフトウェア・ファームウェア・ハードウェア
の開発設計、 コンサルティング、システム構築業務、製造、販売
 各種信号処理機能の開発設計
 キーデバイス（ＡＳＩＣ/ ＦＰＧＡ）の開発設計
広島
福岡
【社員数】
841名 (2011年4月１日現在)
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会社紹介（弊社事業ドメイン）
システム・ソリューション
ｻｰﾋﾞｽ・ﾏﾈｰｼﾞﾒﾝﾄ・ｿﾘｭｰｼｮﾝ
ﾈｯﾄﾜｰｸ・ﾏﾈｼﾞﾒﾝﾄ・ｿﾘｭｰｼｮﾝ
ネットワーク・テクノロジー
IP系ｼｽﾃﾑ開発
ﾌｫﾄﾆｯｸ系ｼｽﾃﾑ開発
・IPﾈｯﾄﾜｰｸ技術
・IPﾄﾗﾝｽﾎﾟｰﾄ技術
・有線系ｱｸｾｽ技術
・WDM技術
ﾈｯﾄﾜｰｸ制御技術
移動無線ﾈｯﾄﾜｰｸ技術
・WCDMA技術
・FMC技術
・ﾓﾊﾞｲﾙ系ｱｸｾｽ技術
キー・テクノロジー
ﾈｯﾄﾜｰｸｱﾌﾟﾘｹｰｼｮﾝ技術
ﾘｱﾙﾀｲﾑｼｽﾃﾑ技術
通信ﾌﾟﾛﾄｺﾙ技術
画像処理技術
ＡＳＩＣ/ＦＰＧＡ設計技術
アナログ設計技術
ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ信号処理技術
IP電話制御技術
実装／構造設計技術
etc
応用技術
応用分野
ﾓﾊﾞｲﾙ端末
ﾃﾞｼﾞﾀﾙ家電
ｾｷｭﾘﾃｨ技術
ﾊﾞｲｵﾒﾄﾘｯｸｽ技術
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ﾓﾊﾞｲﾙ系ｼｽﾃﾑ開発
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Copyright 2011 Fujitsu Kyushu Network Technologies LIMITED
会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
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モデルベース設計の導入
背景
QNETではMATLABでモデリングする事例が多い
MATLABモデルからのハードウエア化のニーズが増加
システムの複雑化，設計の短期間化への対応が必須
モデルベース設計への挑戦
C言語からの高位合成は社内で実績がある
同様にMATLABモデルからの設計ができないか？
MATLABモデルをベースとした設計手法を検討・導入
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MATLABとは？
制御系・信号処理システムのモデリングツール
システムのふるまいをシミュレーションによって検証
モデリングには２通りのスタイルがある
コード記述（MATLAB）
ブロック線図（Simulink）
（ブロック線図）
（コード記述）
function [dist,result] = detect(in,dict)
in_sel = zeros(256,size(dict,2));
In_t = in.‘;
in_sel(find(dict)) = in_t(find(dict));
dist = sum(sum(abs(in_sel - dict)));
if dist < 500 result = 1; else result =
0; end
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弊社におけるMATLABの活用
無線通信向けが中心
90年代後半に導入
主にモデリングツールとして利用
ここ数年で利用プロジェクトが急増
適用分野が拡大
Simulink®よりもMATLABコードでのモデリングが多い
モデルからFPGA／DSPへの実装のニーズが増加
ハードウエア実装
従来は実装用コードは手書き（上位モデルを参考に）
短期開発の要求からモデルベース開発のニーズが高まる
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MATLABのモデルベース設計（ハードウエア）
Simulinkには専用ツールがあるがMATLABには無い
（コード記述）
直接合成
するツール
がない
×
本当はこれ
をやりたい
のだが…
Simulink® HDL Coder™
System Generator
DSP Builder
HDL
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専用ツール
による自動
設計
HDL
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MATLABコードのハードウエア化
Cコードを経由してハード化する方法を新規に検討・実現
ハード化を前提とした
MATLAB→Cコード化を
工夫
直接合成
するツール
がない
Cコード化
×
HDL
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Cコード
高位合成
高位合成は既に社内
で実績・ノウハウがあ
る
（ANSI-C入力）
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MATLABコードのハード化
設計手法の比較
概要
案１ 設計仕様書を作成し
良い点
課題
評価
設計期間・工数が増大
×
Simulinkから直 MATLAB→Simulinkへ
接HDLを合成可能 の置換の手間
△
品質が安定
HDLを手設計
案２ MATLAB→Simulinkへ
置換え、専用ツールで
合成
案３ MATLAB→Cコードの変 短期開発が可能 MATLAB→C変換
換とCベース高位合成
○
高位合成は社内
で実績あり
我々は案３（Cコード変換＋高位合成）を推奨
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会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
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高位合成ツールとは？
CコードからHDL（RTL記述）を自動生成するツール
• HDL：Hardware Description Language （ハードウエア記述言語）
• RTL：Register Transfer Level
HDL （Verilog,VHDL)
Cコード
filter(int *in, int *out){
int reg[N];
・・・
for (i=N-1; i>=0; i--) {
acc += reg[i] * coef[i];
}
・・・
高位合成
データパス
インタフェース仕様
アーキテクチャ
を指定
S1
S3
S2
ステート
マシン
製品例：Catapult® C Synthesis（メンター・グラフィクス社）
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高位合成のメリット・課題
メリット
抽象度の高いC言語（ソフトウエア）から回路を合成可能
HDL手設計に比べ、設計期間の大幅な短縮が可能
C言語モデルで高速な検証が可能
課題
従来とは異なる設計スタイル（検証など）
Cコードの記述により合成後の回路の性能が異なる
• ハードウエアを意識したコード記述のスキルが必要
入力形式がツールによって異なる（デファクトが無い）
• ANSI-C、SystemC、C言語の独自拡張・・・
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弊社の高位合成への取り組み
高位合成の適用実績
 2004年度：音声認識ソフトウエアのLSI試作
ツールの開発停止により取り組みが一時中断
 2007年度：メディア信号処理(Audio codec)への適用
携帯端末信号処理への適用
 2008年度：携帯機器向け画像システムLSIへの適用
 2009年度：IP伝送装置内パケット多重部への適用
無線信号処理装置におけるHW実現性検討
伝送処理HW実現性検討での適用
光伝送装置用信号処理LSI開発
 2010年度：無線システムLSIモデム処理への適用
誤り訂正処理への適用検討
光伝送システム向け信号処理LSI
ここ数年で実開発への適用事例が急増
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会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
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コード変換の流れ
MATLAB→高位合成用Cへの変換事例
MATLAB
ANSI-C
Algorithmic-C
（高位合成用コード）
高位合成用
の記述形式
に書換え
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ich=in.*coef1;
qch=in.*coef2;
out=complex(ich,qch);
ベクトル演算
をforループ
に展開
float in[100],・・・
for (i = 0; i < 100; i++) {
out[i].re = in[i] * coef1[i];
out[i].im = in[i] * coef2[i];
}
MATLAB
モデル
Cモデル
ac_int<10,true> in[100];
ac_complex<ac_int<10,true> > out[100];
・・・
for (i = 0; i < 100; i++) {
out[i].r() = in[i] * coef1[i];
out[i].i() = in[i] * coef2[i];
}
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モデルのリファイ
ンメントの流れ
Cモデル
(高位合成用）
高位合成
HDL
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コード変換の課題
課題になったのはMATLAB→Cコード化
MATLABは複雑な計算も簡単に記述できてしまうため，実装用
のCコードへの書き換えが大変な場合がある．
MATLABコード
C = A * B;
スカラー値の乗算
同じ記述でも
3通りの可能
性がある
複素数の乗算
行列の乗算
Cコード
MATLAB
x_prd = A * x_est;
行列の乗算の場合
for (r1=0; r1<6; r1++) {
for (r2=0; r2<6; r2++) {
x_prd[r1] += A[r1+6*r2] * x_est[r2];
}・・・
⇒ 手作業では書換・検証に手間がかかる
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Cコード生成
オプション機能によるCコード生成機能を活用
 Embedded MATLAB＋Real-time Workshop
function y = kalman02(z)
・・・・・・
x_prd = A * x_est;
自動
生成
・・・・・・
/* Function Definitions */
void kalman(real_T z, real_T y[2])
{
int32_T r1;
real_T x_prd[6];
・・・・・・
for (r1 = 0; r1 < 6; r1++) {
x_prd[r1] = 0.0;
for (r2 = 0; r2 < 6; r2++) {
x_prd[r1] += iv0[r1 + 6 * r2] * x_est[r2];
}
・・・・・・
自動生成されたCコードを参考にして，ハード化に
適したCコードへ書き直す（翻訳作業）
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コード変換を行う際の注意点
ハードウエア化を意識したモデリングが重要
MATLABの段階でハードウエアを意識したブロック化を行う
各関数はCコード化・高位合成を考慮してコンパクトに記述する
長々と
コードを記述
MATLABコード
失敗例
X_prd = A * x_est;
P_prd = A * p_est * A’ + Q;
x_est = x_prd + klm_gain;
p_est = p_prd – klm_gain;
・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
for (r2 = 0; r2 < 2; r2++) {
for (k = 0; k < 6; k++) {
b_klm_gain[k + 6 * r2]
= Y[r2 + (k << 1)];
･･･・・・・・・・・・・・・・・・・・
X_prd = A * x_est;
for (r1=0; r1<6; r1++) {
x_prd[r1] += A[r1] * x;
Cコード
HDL
性能が得られ
ない場合あり
１つの関数をコ
ンパクトに
成功例
期待する性能
を実現
MATLABモデルの段階でハードを意識することが必要
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Cコードの検証
作成したCコードをMATLABモデル上で検証
高位合成用Cコードの検証も可能
一部をCコード化した
シミュレーション環境
MATLABコードのみの
シミュレーション環境
func1.m
func2.m
コード変換
func1.c
func1.mexw32
MEX
compile func2.m
・・・
・・・
・・・
・・・
Cコード化前後の特性を比較し，作成した
Cコードに問題がないことを確認する
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Cコードの検証
Simulink上に検証環境を構築
高位合成用Cコードの検証も可能
Simulink
伝搬路モデル
変調部
信号生成
処理A
フェージング
復調部
処理E
Cコード
エラー率算出
Blockset
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処理F
処理B
処理D
Embedded MATLAB
Function
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高位合成用C
コード
処理C
S-Function
（Cコード）
ノイズ
S-Function化した
高位合成用Cコード
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Cコードの検証 （高位合成ツールとの連携）
高位合成ツールのMATLAB用ラッパー生成機能を利用
高位合成用
Cコード
自動でラッパー生成
• MATLAB用カスタム関数として実
行可能
Catapult
MATLAB向け
ラッパー生成
MATLAB/Simulinkにて検証
• HDLと同じ演算精度でシミュレー
ションが可能
高位合成
MEX compile
MATLAB／
Simulink
検証環境構築が容易に
• 簡単に高位合成用Cコードの検証
環境を作成可能
モデル上
で検証
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C/C++
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カスタム関数
HDL
精度等価
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会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
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設計事例
次世代通信向けシステムLSI開発
LSIに内蔵するモデム回路開発を受託
方式開発はMATLAB（コード記述）にて実施
開発上の課題
要求仕様が不確定→方式変更の可能性
超短期開発
効率的な設計が不可欠
MATLABと高位合成の連携による設計手法を適用
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設計事例（工夫点）
新しい設計手法の導入に関して
受託が確定する前に設計手法を先行的にトライアル
関係者への事前の説明（根回し）
モデル作成
MATLABモデルの段階で回路化をイメージ
関数をコンパクトに作成（Cコード化／高位合成が容易に）
チーム編成
作業プロセスを分け、各プロセスにエキスパートを配置
従来よりも大幅に工程を短縮
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設計事例（チーム編成）
チーム編成の工夫
３つのプロセスに分割
担当者間の連携を密にし、後工程の課題を上流にフィードバック
方式
開発者
MATLAB
モデル
Aさん
方式開発
関数構成の修正
翻訳者
LSI
設計者
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Cモデル
Bさん M→C変換
Cさん
Cモデル
(高位合成用）
Catapult
向け最適化
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Catapult用の最適なC
モデル記述スタイル
の指摘
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設計事例（開発成果）
開発プロセスの改善
モデルベース設計により、開発期間を手設計の６割程度に圧縮
従
来
基本検討
設計仕様
外部仕様
設計仕様書
Mモデル
基本検討
今
回
外部仕様
HDL
Cモデル
HDL
-SIM
M修正→C→HDL
HDL
環境構築後はM→HDL化
が非常に速い
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HDL-SIM 実機試験(FPGA)
実機試験(FPGA)
Cﾓﾃﾞﾙ
SIM
Mモデル
HDL設計
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従来は仕様書修正やHDL
手修正のために時間がか
かっていたものが、短期
間で修正可能に
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設計事例（MATLAB＋高位合成の適用効果）
方式開発者とLSI設計者が同じコード（モデル）上で相談
→モデルベース設計の有効性を実感
処理を追加したい
が大丈夫か？
ich=in.*coef1;
qch=in.*coef2;
out=complex(ich,qch);
処理E
処理F
方式
開発者
for (i = 0; i < 100; i++) {
out[i].re = in[i] * coef1[i];
out[i].im = in[i] * coef2[i];
}
処理D
この記述だと性能が
出ないので、少し書
き換えてもらえない
か
処理C
LSI
設計者
翻訳者
プロジェクト内でエキスパートが協働できると
この効果は非常に大きい
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会社紹介
モデルベース設計の導入
高位合成について
MATLAB＋高位合成の設計手法
コード変換
Cコードの検証
設計事例
社内のコミュニティ活動
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社内のコミュニティ活動
「MATLABコミュニティ」と「高位合成コミュニティ」
ユーザ間の情報共有と社内への設計技術の普及を図る
• MATLAB/Simulink・高位合成ツールに関する最新情報の交換
• 設計事例やノウハウの交換
活動内容
メーリングリストでの情報交換
• 新しいツールの情報
• ツール利用の工夫点
顔を合わせての定例会
• 各部門の状況，事例
社内の入門セミナーを開催
社外での講演も積極的に実施
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社内のコミュニティ活動
CQ出版のWebサイトで紹介しています
TechVillage「組み込みネット」→コラム記事
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Copyright 2011 Fujitsu Kyushu
Network 2010
Technologies
Copyright
FUJITSULIMITED
LIMITED