Python の高位合成コンパイラ Polyphony の新しい機能を紹介します。

1. Polyphony 新機能ツアー
有限会社シンビー

2. 自己紹介
著者です
https://github.com/ktok07b6/polyphony

3. Polyphony とは？
●Polyphony ～Pythonベースの高位合成コンパイラ～ (2015 高位合成友の会)
https://www.slideshare.net/ktok07b6/3-polyphony
●Github
https://github.com/ktok07b6/polyphony
●プログラミング言語PythonではじめるFPGA開発入門(FPGA マガジン No.12)
http://www.kumikomi.net/fpga/contents/su012.php
●A Python-Based High-Level Synthesis Compiler (2017 OpenSuco フランクフルトでの発表)
http://www.opensuco.community/wp-content/uploads/2017/06/ISC2017-Kataoka.pdf
●Polyphony ではじめる FPGA(PyCon 2017 で発表)
https://www.slideshare.net/ryos36/polyphony-python-fpga
●Python で FPGA プログラミング (PYNQ 祭り 2017)
ikwzm の発表(ありがとうございます)
https://www.slideshare.net/ssuser941451/pynq-72804195

4. Polyphony 新機能 一覧
● 並列プログラミング
● 型ヒント
● タイミング制御
● @pureデコレータ
● import文対応

5. 並列プログラミング
並列計算モデルを構築するための道具を用意
● Module
● Worker
● Port

6. 並列プログラミング
Module
● 回路全体またはその一部を表す単位
● 外部入出力のためのPortを持つ
● さまざま処理を独立して行う複数のWorkerを持つ

7. 並列プログラミング
Worker
● Moduleに含まれる並列動作する処理の単位
● 入出力のためのPortを持つ
● Workerの持つPortは外部もしくは内部(別のWorker)と接続

8. 並列プログラミング
Port
● データのやり取りを行うためのチャネル
● ModuleおよびWorkerの入出力になる
● 単一データ用のPortとFIFOとして動作するQueueがある

9. 並列プログラミング
例：
@module # デコレータによりクラスをModuleとして指定
class Blink:
def __init__(self, interval1, interval2):
self.led1 = Port(bit, 'out') # 出力ポート
self.led2 = Port(bit, 'out') # 出力ポート
self.append_worker(self.main, self.led1, interval1) # Workerの登録
self.append_worker(self.main, self.led2, interval2) # Workerの登録
# Workerの定義
def main(self, led_port, interval):
led:bit = 1
while is_worker_running():
led_port.wr(led) # ポートへの書き込み
led = ~led
self._wait(interval)

10. 型ヒント
PEP 484で定義された型ヒント構文により，変数の型を指定
サポートする型
● 組み込み型
○ int
○ bool
● polyphony.typingライブラリで定義された型
○ bit
○ int2~int128, uint2~uint128
○ List[T][C] (Tで要素の型，Cで要素数を指定)
○ Tuple

11. 型ヒント
例：
from polyphony.typing import uint8, uint16, List
# <8bit> * <8bit> = <16bit> の乗算回路を合成
def mul8_16(x:uint8, y:uint8) -> uint16:
return x * y

12. タイミング制御
PortなどのI/Oと組み合わせて使用するタイミング制御用のライブラリ関数
● clkfence
● clksleep
● wait_rising
● wait_falling
● …
例：clksleep
# 指定のクロック数だけ次の処理の実行を待つ
# I/Oなどで特定の時間待たなければならない場合などに使用
self.ad_converter_start.wr(1)
clksleep(CONVERT_TIME)
self.ad_converter_start.wr(0)

13. @pureデコレータ
Pythonインタプリタをプリプロセッサとして使用する
@pureで指定された関数，メソッドはPythonインタプリタにより解釈実行された
内容に置き換わる
用途：
● ROMデータ，テスト用データの生成
● コンパイル時に動的にWorkerのネットワークを構築
# テスト用データをファイルから読み込みlistに変換する
@pure
def load_test_data(file_name):
with open(file_name, ‘r’) as f:
return list(bytearray(f.read()))
R「おい！本当か？」
R「CNN つくれる？」
K「できそうですね」

14. import文対応
Pythonのimport文に完全対応
既存のソースを再利用することが可能
● import *
● import * as *
● from * import *
● from * import * as *
等の構文に対応

15. 今後の対応予定
●polyphony.rule
合成用パラメータの指示 (要はpragma)
○ スケジューリング方法
○ ループ合成方法
などを指示
@rule(scheduling=’parallel’): # スケジューリング方法の指示
def func():
...

16. フレームワークを構築しているよ
Print
デバッグが出
来ます。
User は
フィルタを
つかうだけ

17. こんな感じで合成できました

18. 勿論、実機で動いてます

19. Vivado にも対応してみました
中身も Python の
コードだよ

20. カスタマイズできます

21. Lチカのコード
from polyphony import testbench, module, is_worker_running
from polyphony.io import Port
from polyphony.typing import bit
from configs import Config
@module
class Blink:
def __init__(self, interval):
self.led = Port(bit, 'out')
self.interval = interval
self.append_worker(self.main)
def main(self):
led:bit = 1
while is_worker_running():
self.led(led)
led = ~led
self._wait()
def _wait(self):
for i in range(self.interval // 2):
pass
blink = Blink(Config.INTERVAL)

22. これも UltraZed で動いたよ

23. 明示的な並列処理もでき始めたよ
def main(self):
while is_worker_running():
with rule(scheduling='parallel'):
t1 = self.i1.rd()
t2 = self.i2.rd()
t3 = self.i3.rd()
self.o1.wr(t1 * t1)
self.o2.wr(t2 * t2)
self.o3.wr(t3 * t3)
便利だね。Python
With 構文が使えるよ

24. パイプラインもできる
with rule(scheduling=‘pipeline'):
s = 0
for i in range(10):
d = m[i]
if i== 4:
s = s + d
else:
s = s - d
ここでも With 構文
if があっても大丈夫

25. Lattice: wishbone 対応!!!(予定）

26. 今後の対応予定
● 最適化
○ ループパイプライン化
○ ループアンロール
○ レジスタ数削減

27. 今後の対応予定
● その他 機能拡張
○ 高階関数，lambda
○ クラス特殊メソッド対応 (__add__(), __sub__(), …)
○ 文字列
○ HDLのロードと結合
○ Python上でのクロック単位のシミュレーション
○ ...

28. ご清聴ありがとうございました
いろいろすごそうな機能が入ってるし入りつつあるけど
追い切れてません
アナウンスもし切れてません
そして、それをつかった応用例を提示できてません
反省しきりです。今後は応用例をつくって発表します。
Github
https://github.com/ktok07b6/polyphony