Architecture pour le traitemement du signal et des images

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1 INSA de Lyon Département Génie Electrique 5GE Travaux Pratiques Architecture pour le traitemement du signal et des images Version Finale Thomas Grenier Olivier Bernard Dominique Tournier Philippe Delachartre Lyon, le October 15, 2015

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3 LIST OF FIGURES CONTENTS Contents 1 Introduction Que vais je faire? Pré-requis Que vais-je apprendre? Vocabulaire Conventions Matériel La carte EVM L ordinateur Machine virtuelle Linux Système de fichiers Etude de l architecture Optimisations pour le traitement du signal OMAP Compilation Compilation C pour l OMAP Projet GPP + DSP Désassemblage et débogage : GPPSide Applications Lecture et affichage d une vidéo List of Figures 1 La carte processeur et le processeur OMAP3530 au centre Vue de face de la carte OMAP35x EVM Vue de derrière de la carte OMAP35x EVM Diagramme fonctionnel de la carte Position des interrupteurs SW Organisation et interactions du PC avec la carte Icône du raccourci VirtualBox à droite Diagramme en blocs de l OMAP / 18

4 1 INTRODUCTION 1 Introduction 1.1 Que vais je faire? Le but de cette séance de TP est d appréhender les spécificités des architectures modernes de traitement du signal et des images. Dans un premier temps, vous aller prendre en main la plateforme (système informatique, logiciels et la carte Mistral OMAP35x EVM). Dans un second temps il s agira d observer les différences entre les architectures classiques et celles optimisées pour le traitement du signal. Les observations iront de l infrastructure électronique à la programmation. Enfin, on s attardera sur l architecture logicielle permettant de tirer profit de l architecture adaptée. 1.2 Pré-requis La programmation en langage C serra utilisée tout au long de ce TP (IF1). Il est nécessaire d avoir une connaissance minimale du fonctionnement de linux et des commandes élémentaires (ls, cd, exécution d un programme) lancées dans un terminal (IF4 et autres). Il est nécessaire de connaitre l architecture des processeurs (IF2 et IF3) et le traitement du signal (TS). Enfin, un minimum de connaissances en réseau (adresse IP, protocoles FTP, NFS, telnet) vous fera gagner du temps. Sinon référez vous aux cours, au net et à l enseignant. 1.3 Que vais-je apprendre? Ce qu il doit rester: Quelle stratégie pour développer sur des plateformes embarquées (machine virtuelle, boot, et système de fichiers partagé) La compilation croisée et le débogue distant Les intérêts des architectures dédiées pour le traitement du signal 1.4 Vocabulaire Le PC est équipé d un système d exploitation (Windows) dans lequel on créera une machine virtuelle. L environnement de la machine virtuelle est optimisé pour les développements informatiques de la carte (compilateurs, librairies, échange de fichiers, séquences de démarrage,...). Le système d exploitation virtualisé est Linux Ubuntu LTS. On parlera de système virtuel ou de machine virtuelle Linux. Lors des développements, la carte "OMAP35x EVM " sera dite la cible (ou target) et par opposition, la machine virtuelle Linux sera dite l hôte (host en anglais) 1. 1 En virtualisation, le terme hôte est donné au système d exploitation hébergeant les machines virtuelles. Dans ce TP on ne s intéresse pas à la virtualisation. 4 / 18

5 1 INTRODUCTION 1.5 Conventions 1.5 Conventions Voici quelques conventions de présentation pour la suite du document. Ceci correspond à une remarque importante Ceci correspond à une manipulation à réaliser Ceci correspond à une question dont il faut noter la réponse 5 / 18

6 2 MATÉRIEL 2 Matériel 2.1 La carte EVM La plateforme est constituée d un PC et d une carte OMAP35x EVM 2. Cette carte est à base d un processeur OMAP3 de Texas Instrument et est composée de nombreux périphériques (voir la figure 2 et 3). Le processeur n est pas facilement visible sur cette carte car masqué par le système de protection et différentes cartes filles (notamment celle de la caméra). La figure 1 est une photo de la carte processeur de l OMAP35x EVM. Le processeur est plus petit qu une pièce de 1 euro (merci de ne pas vérifier et de prêter attention au symbole dans le triangle en bas à gauche de la figure 1). Figure 1: La carte processeur et le processeur OMAP3530 au centre. La figure 4 présente un diagramme des périphériques de la carte. Des périphériques de la carte, peu vont être utilisés dans ce TP : l écran tactile, le port Ethernet, le port UART 1/2, l audio, l écran et la vidéo. Vérifier le cablage de la carte: ➀ un cable Ethernet (bleu) entre la carte et le PC, ➁ un cable série (RS-232, gris) entre la carte UART 1/2 et le PC, ➂ mettre l interrupteur SW2 sur la position centrale (figure 2), ➃ brancher l alimentation. Une et une seule led doit être allumée. Si plusieurs led s allument, vérifier la position de SW2. Si aucune led ne s allume (à coté de l interrupteur SW2), vérifier l alimentation du réseau puis appeler un enseignant. Cette carte dispose de nombreuse séquences de démarrage (bootsequence) différentes (par exemple par mémoire flash, ou carte SD, ou réseau, etc). Le choix de la séquence est fixé par la valeur des interrupteurs "SW4 DIP". La figure 5 donne les positions de la séquence de démarrage 2 evm signifie Evaluation Module 6 / 18

7 2 MATÉRIEL 2.1 Figure 2: Vue de face de la carte OMAP35x EVM. Figure 3: Vue de derrière de la carte OMAP35x EVM. 7 / 18 La carte EVM

8 2.1 La carte EVM 2 MATÉRIEL Figure 4: Diagramme fonctionnel de la carte. 8 / 18

9 2 MATÉRIEL 2.2 L ordinateur utilisée dans ce TP. Ne pas piloter les interrupteurs SW4 DIP.... Mais vérifier que SW4 est dans la position décrite à la figure 5 Figure 5: Position des interrupteurs SW4. Le document OMAP35x EVM Hardware User Guide.pdf, disponible sur M:/TP_DSP/Doc sous windows ou /media/sf_doc sur la machine virtuelle, détaille les rôles et caractéristiques électriques de chaque A quel type de boot correspond la configuration utilisée dans ce TP et illustrée par la figure 5? Nous analyserons plus tard la séquence de démarrage induite par ce choix. 2.2 L ordinateur Le PC (via le linux hôte) permet de programmer la carte, compiler les programmes et de déboguer. On verra aussi qu il partage des fichiers avec la carte dont les fichiers de démarrage. Démarrer le PC et ouvrez la session useradmin. La figure 6 présente l organisation du système informatique. Le système windows: héberge une machine virtuelle Linux permet l utilisation de la sonde XDS-560 (non utilisée, peut être non présente...) permet de naviguer par mis les documents et sur internet La carte OMAP35x EVM est reliée au PC par une liaison RS-232 et par une connexion Ethernet. La connexion série RS-232 permet de communiquer avec la carte et d interrompre la séquence de démarrage. La communication (protocole IP) par le câble Ethernet est initiée dès le démarrage de la carte (u-boot). La carte obtient une adresse IP (dhcp), charge le noyau uimage (tftp), exécute ce noyau, puis monte son système de fichier linux (nfs). Les services (dhcp, tftp et nfs) ainsi que les fichiers systèmes sont fournis par la machine virtuelle. 9 / 18

10 2.3 Machine virtuelle Linux 2 MATÉRIEL Figure 6: Organisation et interactions du PC avec la carte. Figure 7: Icône du raccourci VirtualBox à droite. Tout le monde peut modifier la machine virtuelle. Mais pour être sûr de partir d un état initial "stable", un instantané a été créé. Cet instantané fige l état de la machine. Démarrer la machine virtuelle : double cliquer sur l icône de VirtualBox (OMAP) (figure 7a). L instantané TPv5-3off est restauré. La machine virtuelle Linux démarre. Voici le compte à utiliser pour s identifier dans la machine Linux: utilisateur : user mot de passe : insage 2.3 Machine virtuelle Linux Les services nécessaires au démarrage de la carte OMAP35x EVM sont tous opérationnels après le démarrage de la machine virtuelle Linux. Pour surveiller et interagir pendant le démarrage de la carte, il faut lire et écrire sur le port série RS-232 de la carte : UART 1/2. Coté PC, il s agit de lire et écrire sur le port série 1 (COM1) 10 / 18

11 2 MATÉRIEL 2.4 Système de fichiers ou /dev/ttys0 sous linux. C est le rôle du logiciel CuteCom sous linux. ➀ Lancer le logiciel Cutecom (icône sur le bureau) ➁ Vérifier les valeurs des paramètres de communication suivants vitesse : bauds port : /dev/ttys0 nombre de bits de données : 8 bit de stop : 1 pas de bit de parité ouvrir en lecture et écriture ➂ Ouvrir le périphérique (cliquer sur Open Device ) Le logiciel écoute maintenant le port série. Il faut démarrer la carte. Pour démarrer la carte, placer l interrupteur SW2 sur la position droite : DC IN. La carte OMAP35x EVM démarre. Il est possible de la redémarrer grâce aux trois boutons reset présents en bas à droite sur la carte. Dans la fenêtre du logiciel Cutecom, les informations de démarrage de la carte s affichent. Quel type de boot effectue la carte? Faire un lien avec la dernière question de la partie 2.1 ) Noter l adresse IP de la carte OMAP35x EVM (la cible) Sur la machine hôte, lancer dans un terminal linux (ou console), la commande : $ telnet IP-de-la-cible Si l adresse IP est correcte, on obtient dans le terminal la même invite d identification que sous Cutecom. Vous communiquez ainsi avec la cible à partir de l hôte comme s il s agissait d un autre ordinateur. Via telnet lancé sur l hôte, s identifier sur la cible en tant qu utilisateur root (il n y a pas de mot de passe). 2.4 Système de fichiers La carte et la machine virtuelle fonctionnent. La machine virtuelle partage avec la carte des fichiers, notamment le système de fichiers de la carte, ceci grâce au protocole NFS. Qu est ce que le protocole NFS? Le système de fichiers correspond à l ensemble des fichiers nécessaires au fonctionnement du système d exploitation (fichier de configuration, répertoires standard, drivers,...). L intérêt de 11 / 18

12 2.4 Système de fichiers 2 MATÉRIEL partager des fichiers entre la cible et l hôte est de pouvoir facilement échanger des programmes ou des données. Dans la fenêtre de sortie de Cutecom, retrouver et analyser la ligne Kernel Command Line. A quoi correspond la commande : n f sroot = : /opt/evm f ilesystem? Sur la cible, lister (commande ls) le contenu du répertoire /opt. Sur la machine hôte, où se trouve ce répertoire /opt de la cible? De manière général, où se trouve sur l hôte le système de fichiers utilisé par la cible? Vérifier que l ajout d un fichier sur l hôte est vu par la cible. Sous linux, la commande df permet d afficher la taille et l occupation des disques. Vérifions que vous avez tout compris... Exécuter la commande df -h sur l hôte. A quoi correspondent les lignes /media/sf Doc, /media/sf SDK et /media/sf tmp? Pourquoi ont elles la même taille? Vérifier cette valeur. Exécuter la commande df sur la cible. A quoi correspond la ligne /? Pourquoi les valeurs sont les mêmes que pour /opt de l hôte? Les architectures des processeurs de l OMAP et du PC ne sont pas les même. Malgré le fait que l on ai utilisé les mêmes commandes sur la cible et sur l hôte, il ne faut pas se méprendre: les programmes exécutés ne sont pas les même et ceci parce que les architectures des processeurs sont différentes (prochaine partie). Pour vous en convaincre, exécutons un programme personnel. Sur la cible exécuter le fichier /opt/tp/2.4/toto grâce à la commande : # /opt/tp/2.4/toto Que fait ce programme? Exécuter ce programme sur l hôte. Pourquoi le programme ne fonctionne pas? Vérifions les hypothèses précédentes en demandant aux systèmes d afficher les informations de leur processeur. Pour l hôte et la cible taper la commande cat /proc/cpuinfo. Comparer les architectures et les BogoMIPS A ce stade, la plateforme fonctionne et vous avez toutes les informations pour passer à l étude de l architecture et exécuter vos programmes sur la cible. 12 / 18

13 3 ETUDE DE L ARCHITECTURE 3 Etude de l architecture Dans cette partie, le but est d étudier l architecture de l OMAP Optimisations pour le traitement du signal Une grande partie du traitement numérique du signal et des images repose sur la notion de produit scalaire. En effet, une Discrete Fourier Transform ou Discret Cosine Transform, un produit de convolution, un filtrage IIR, un réseau de neurones,... peuvent se mettre sous la forme: N 1 s[k] = n=0 w[n].e[ f (n,k)] (1) où w est une fonction de pondération 3, e est un signal, et f est une fonction dépendant de k et ou de n réalisant souvent une soustraction ou une addition entre les deux indices. Par exemple un filtrage FIR d un signal e par les coefficients du filtre w s écrit: N 1 s[k] = n=0 et une FFT ( j est l unité imaginaire j 2 = 1) : N 1 S[k] = n=0 w[n].e[n k] (2) e[n]. exp( 2. j.π.k.n/n) (3) D un point de vu informatique, l opération élémentaire (i.e. qui sera répétée en boucle) du produit scalaire est s = w[i].e[ j]+s. Si on cherche à améliorer les performances 4 d un calculateur dédié au traitement du signal, ceci conduit aux conclusions suivantes: un calculateur doit disposer d opérations de multiplications et d addition très rapides. Il faut aussi que les opérandes manipulées soient de tailles adaptées (nombre de bits) pour éviter les dépassements de capacité et les problèmes de précision. les opérations de multiplication et d addition sont d un enjeu majeur, il serait même bien de créer une opération réalisant successivement une multiplication puis une addition. les accès à la mémoire sont nombreux: il s agit d accéder à 2 tableaux simultanément, il faudra tirer profit des différents bus de données et d adresses présents. incréments des indices : l utilisation de pointeurs semble tout indiquée pour gérer les accès aux tableaux. Le passage à l élément suivant se faisant par incrément (ou décrément) d un pointeur. Cette opération d addition (simple) pourrait se faire automatiquement à chaque itération. gestion du nombre de répétitions: lors d un filtrage on connait à l avance le nombre d itérations. Il faudrait prévoir une instruction permettant de répéter un nombre fixé de fois une ou un groupe d instructions, sans instructions de sauts ni de test (ceci devant être géré en interne par le coeur du processeur). 3 w peut dépendre de k et de n 4 Vitesse, capacité de calcul, précisions, consommation en énergie, encombrement... sont les enjeux de l optimisation de l architecture 13 / 18

14 3.2 OMAP ETUDE DE L ARCHITECTURE 3.2 OMAP3530 Quid de l OMAP? OMAP signifie Open Multimedia Applications Plateform et a été développé par Texas Instrument. Il s agit d un SoC (System on Chips) propriétaire destiné aux systèmes embarqués multimédia portables et mobiles comme les tablettes, les mini PC portables, les smartphones, les lecteurs multimédia ou les consoles de jeux portables 5. Les OMAP intègrent généralement un processeur à usage général (General Purpose Processor, GPP) basé sur une architecture ARM et un ou plusieurs co-processeurs spécialisés tel qu un DSP. Les DSP sont des processeurs spécialisés dans le traitement du signal (DSP signifiant Digital Signal Processor dont l architecture est optimisée pour répondre à la quasi totalité des conclusions du paragraphe précédent. L OMAP utilisé dans ce TP est l OMAP Il s agit d un processeur de la famille OMAP3 (la famille OMAP5 est disponible depuis mai 2013). Le diagramme par blocs de l OMAP3530 est donné sur la figure 8. Elle détaille l ensemble des co-processeurs intégrés, les différentes mémoires et les largeurs des bus de données. (a) Figure 8: Diagramme en blocs de l OMAP / 18

15 3 ETUDE DE L ARCHITECTURE 3.3 Compilation Quelle est la référence du GPP présent dans l OMAP? Quelle est la référence du DSP présent dans l OMAP? S agit t il d un DSP à virgule fixe ou flottante? 3.3 Compilation Compilation C pour l OMAP Commençons par un rappel sur la compilation en langage C. Voici un programme simple "monprog.c": 1 #include <stdio.h> 2 3 int main(void) 4 { 5 float a; 6 float b; 7 printf("hello les etudiants de GE!\n"); 8 printf("-> entrer la valeur de a : "); 9 scanf("%f",&a); printf("-> entrer la valeur de b : "); 12 scanf("%f",&b); printf("--> le produit de \%f par \%f est \%f \n", a, b, a*b); return 0; 17 } ➀ Sur l hôte, ouvrir le fichier /home/user/tp/3.3/monprog.c ➁ Ouvrir un terminal et se déplacer dans le répertoire /home- /user/tp/3.3 (commande cd...). ➂ Compiler monprog.c en tapant dans le terminal: $ gcc monprog.c -o monprog HOTE ➃ Exécuter le programme en tapant dans le terminal la commande: $./monprog HOTE Le fichier exécutable est compilé pour le système de l hôte. Nous allons maintenant compiler le même fichier c mais cette fois-ci pour qu il puisse être exécuté sur l OMAP35x EVM. Il ne s agit plus d utiliser le compilateur gcc mais un compilateur adapté à l architecture de la cible. On parle de cross compiler ou de compilateur croisé. CodeSourcery fourni un tel compilateur pour le GPP 15 / 18

16 3.3 Compilation 3 ETUDE DE L ARCHITECTURE (ARM) de l OMAP. ➀ Dans le même terminal que précédemment, compiler le programme pour la cible avec la commande: $ arm-none-linux-gnueabi-gcc monprog.c -o monprog GPP ➁ Copier monprog GPP dans le répertoire: /opt/evm filesystem/opt/tp/3.3, ➂ Exécuter le programme sur la cible. Nous venons de compiler un programme très simple. Quand les taches de compilation se compliquent (nombreux fichiers, librairies, instructions particulières, cross compilation,... ) il est avantageux d utiliser le moteur de production make. Lorsqu il est appelé, ce logiciel va lire le fichier de configuration Makefile présent dans le répertoire courant. Ce fichier contient l ensemble des taches à réaliser pour la compilation ainsi que la liste des fichiers, des librairies et les options à utiliser. Un fichier Makefile est présent dans le répertoire "/home/user/tp/3.3". Il permet de compiler le fichier.c pour linux, le GPP et le DSP et d installer les fichiers pour l OMAP dans le répertoire /opt/evm_filesystem/opt/tp/3.3. Sur l hôte dans le répertoire /home/user/tp/3.3 ➀ Ouvrir le fichier Makefile. ➁ Construire l exécutable pour le GPP avec la commande: $ make gpp ➂ Grâce à la commande suivante, copier cet exécutable dans le répertoire /opt/evm filesystem/opt/tp/3.3: $ make gpp install ➃ Vérifier que l exécutable produit fonctionne. ➄ En analysant le fichier Makefile, faire de même pour la compilation la cible linux. Un fichier est inclus dans le Makefile, à quoi sert il? 16 / 18

17 3 ETUDE DE L ARCHITECTURE 3.3 Compilation Projet GPP + DSP Comment exécuter du code sur le DSP? Il faut passer par le GPP et une zone partagée en mémoire. On part du programme précédent (monprog.c) mais on le compile cette fois pour le DSP. Sur l hôte dans le répertoire /home/user/tp/3.3 ➀ Construire l exécutable pour le DSP avec la commande: $ make dsp ➁ Installer cet exécutable dans le répertoire /opt/evm filesystem/opt/tp/3.3: $ make dsp install ➂ Vérifier que l exécutable produit fonctionne. Pour l exécution de monprog dsp, l affichage ne se fera qu à la fin : après le premier message Hello..., entrer les 2 valeurs. Comparer les tailles des trois exécutables produits. Conclusion? Pour tester la vitesse de calcul, un programme calculant des FFT a été implémenté et compilé pour l ARM et le DSP. Executer sur la cible les programmes cfft dsp et cfft arm. ils se trouvent dans le répertoire: /usr/share/ti/c6run-apps/examples/c6runapp/emqbit. Si les programme plantes (segfault), il y a une incompatibilité de description de l organisation de la mémoire entre le programme et la configuration actuelle (système d exploitation). Pour reconfigurer les modules de gestion mémoire, lancer sur la cible les deux commandes suivantes: ➀ # /etc/init.d/loadmodule-rc stop ➁ # /etc/init.d/loadmodule-rc startpool Conclusion? Désassemblage et débogage : GPPSide La mise au point d un programme ne peut se faire sans un débogueur. Il y a dans l OMAP deux coeurs (le GPP et le DSP). Nous allons déboguer le GPP (l arm) avec le logiciel Code Composer Studio. 17 / 18

18 4 APPLICATIONS 4 Applications 4.1 Lecture et affichage d une vidéo Un décodeur de vidéo est disponible sur la cible. Il s agit du programme decode. Commencer par reconfigurer les modules de gestion mémoire: sur la cible exécuter les deux commandes suivantes: ➀ # /etc/init.d/loadmodule-rc stop ➁ # /etc/init.d/loadmodule-rc start87 Le programme decode se trouve dans /usr/share/ti/dvsdk-demos et les videos dans /usr/share/ti/- data/videos. Il faut exécuter le programme decode à partir du répertoire /usr/share/ti/dvsdk-demos afin que les liens sur les codecs GPP et DSP se fassent. Lire une video.m4v. Donner les lignes utilisées pour lire une vidéo m4v Occupation du GPP et du DSP pendant la lecture? Plusieurs formats de fichiers de la même vidéo sont disponibles dans le répertoire /usr/share/ti/- data/videos. Lire une video.264. A quoi correspond le format de fichier.264? Comparer les pourcentages d occupation du GPP et du DSP pour les lectures des formats.264 et.m4v, comparer aussi la taille des fichiers vidéos. Conclusions? 18 / 18

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