ZephyrとKV260からDPUを接続・監視してみる

KV260のFPGA上のDPUステータスを確認してみました。

DPU…（Deep Learning Processor Unit）

リアルタイムOS「Zephyr」（Cortex-R5）側から接続・監視するシステムを構築します。

デモ動画は下記となっています。

詳細は下記hackster.ioの記事でも書いています。

AI Safety Monitor with FPGA + Zephyr RTOS

Monitoring AI Inference (DPU) on AMD Kria KV260 with Zephyr RTOS for Functional Safety. By misoji engineer.

KV260でZephyrのメモリアクセス

下記でKV260でのZephyr(RTOS)を使ったメモリアクセスの手法を紹介しています。

この準備が前提の記事となっています。

ZephyrのR5コアからFPGA(PL)のメモリ・GPIO制御してみた

ZephyrのR5コアからFPGA(PL)のメモリ・GPIO制御してみた

KV260上で動作するリアルタイムOS「Zephyr」から、PMODインターフェースのGPIOを制御するテストを実施しました。Vivadoでのハードウェア作成から、デバイスツリーのコンパイル、そしてxmutilを使用したアプリケーションのロ...

VivadoでのDPUの準備

DPU（Deep Learning Processor Unit）を実装するため、Zynq UltraScale+ MPSoC（ZynqMP）を構成し、必要なクロックおよびリセットブロックを設定します。

詳細な手順は下記記事で紹介しています。

Implementation DPU, GPIO, and PWM for KR260

This project is part of a subproject for the AMD Pervasive AI Developer Contest. We Implemented DPU, GPIO, and PWM for K...

DPUをビルドした後は、Vivado上で追加のGPIOを配置し、Address Editorを用いてDPUおよびGPIOのアドレスが正しくマッピングされているか確認・検証しておきます。

VitisでのDPUモデルの準備

Vitis Classic Modeを使って、特定のDPUアーキテクチャに合わせた環境構築とモデルのコンパイルを行います。

モデル構築の詳細は下記記事を参照ください。

https://www.hackster.io/iotengineer22/implementation-dpu-gpio-and-pwm-for-kr260-f7637b#toc-integrating-dpu-in-vitis-5

ZephyrのDPUモニター設定

Zephyr側でDPUの監視を行うための設定を行います。

プロジェクト内にデバイスツリー・オーバーレイ（.overlay）ファイルを作成し、DPUとAXI GPIOをマッピングします。詳細は下記をご確認ください。

https://github.com/iotengineer22/zephyr-kv260/blob/main/src/zephyr/kv260_r5_dpu/boards/kv260_r5.overlay

/* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 */
#include <zephyr/dt-bindings/gpio/gpio.h>

/ {
    aliases {
        led0 = &led_0;
        led1 = &led_1;
        led2 = &led_2;
        sw0 = &sw_0;
    };

    leds {
        compatible = "gpio-leds";
        led_0: led_0 { gpios = <&axi_gpio_0 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };
        led_1: led_1 { gpios = <&axi_gpio_0 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };
        led_2: led_2 { gpios = <&axi_gpio_0 2 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };
    };

    buttons {
        compatible = "gpio-keys";
        sw_0: button_0 { gpios = <&axi_gpio_1 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };
    };
};

/*
 * Key point of the fix:
 * By describing it inside the &{/soc} node instead of the root,
 * the 32-bit address will be interpreted correctly.
 */
&{/soc} {
    /* New address for GPIO 0 */
    axi_gpio_0: gpio@a0010000 {
        compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a";
        reg = <0xa0010000 0x10000>;
        status = "okay";
        gpio-controller;
        #gpio-cells = <2>;
    };

    /* New address for GPIO 1 */
    axi_gpio_1: gpio@a0020000 {
        compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a";
        reg = <0xa0020000 0x10000>;
        status = "okay";
        gpio-controller;
        #gpio-cells = <2>;
    };

    /* DPU (for control) */
    dpu_ctrl: dpu@a0000000 {
        compatible = "generic-uio";
        /* For register manipulation since there is no dedicated DPU driver */
        reg = <0xa0000000 0x1000>;
        status = "okay";
    };
};

/* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 */

#include <zephyr/dt-bindings/gpio/gpio.h>

/ {

aliases {

led0 = &led_0;

led1 = &led_1;

led2 = &led_2;

sw0 = &sw_0;

};

leds {

compatible = "gpio-leds";

led_0: led_0 { gpios = <&axi_gpio_0 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };

led_1: led_1 { gpios = <&axi_gpio_0 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };

led_2: led_2 { gpios = <&axi_gpio_0 2 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };

};

buttons {

compatible = "gpio-keys";

sw_0: button_0 { gpios = <&axi_gpio_1 0 GPIO_ACTIVE_HIGH>; };

};

* Key point of the fix:

* By describing it inside the &{/soc} node instead of the root,

* the 32-bit address will be interpreted correctly.

&{/soc} {

/* New address for GPIO 0 */

axi_gpio_0: gpio@a0010000 {

compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a";

reg = <0xa0010000 0x10000>;

status = "okay";

gpio-controller;

#gpio-cells = <2>;

};

/* New address for GPIO 1 */

axi_gpio_1: gpio@a0020000 {

compatible = "xlnx,xps-gpio-1.00.a";

reg = <0xa0020000 0x10000>;

status = "okay";

gpio-controller;

#gpio-cells = <2>;

};

/* DPU (for control) */

dpu_ctrl: dpu@a0000000 {

compatible = "generic-uio";

/* For register manipulation since there is no dedicated DPU driver */

reg = <0xa0000000 0x1000>;

status = "okay";

};

続いて、メインプログラム（main.c）を実装します。

このプログラムは、Address Editorでの設定を基に各IPのベースアドレス（DPU、Softmax、割り込みコントローラ）を定義し、レジスタの特定のビット（Idleビットなど）を直接読み出して状態を監視、それに応じてLEDを制御（点滅または点灯）する仕組みです。

詳細は下記を参考ください。

zephyr-kv260/src/zephyr/kv260_r5_dpu/src at main · iotengineer22/zephyr-kv260

This repository present solution for the Best of 2025 Competition(FPGA Project) - iotengineer22/zephyr-kv260

コードの準備ができたら、Zephyrの開発環境（west）を用いて、kv260_r5ボード向けにビルドを実行します。

west build -p -b kv260_r5

1	west build -p -b kv260_r5

ビルドが正常に完了すると、ビルドディレクトリ内に zephyr.elf ファイルが生成されます。

PL（FPGA）へのデプロイ

生成したPL（FPGA）用のアーティファクトファイル（pl.dtbo、shell.json、design_1_wrapper.bit.bin）と、Zephyrのバイナリ（zephyr.elf）をKV260へ転送し配置します。

# Create the firmware directory
sudo mkdir -p /lib/firmware/xilinx/zephyr_kv260_dpu

# Copy the files
sudo cp pl.dtbo shell.json design_1_wrapper.bit.bin /lib/firmware/xilinx/zephyr_kv260_gpio/
sudo cp zephyr.elf /lib/firmware/zephyr_dpu.elf

# Create the firmware directory

sudo mkdir -p /lib/firmware/xilinx/zephyr_kv260_dpu

# Copy the files

sudo cp pl.dtbo shell.json design_1_wrapper.bit.bin /lib/firmware/xilinx/zephyr_kv260_gpio/

sudo cp zephyr.elf /lib/firmware/zephyr_dpu.elf

次に、Kriaのユーティリティである xmutil を使用して、新しく作成したDPU用のデザインをFPGA（PL領域）にロードします。

sudo xmutil listapps
sudo xmutil unloadapp
sudo xmutil loadapp zephyr_kv260_dpu

sudo xmutil listapps

sudo xmutil unloadapp

sudo xmutil loadapp zephyr_kv260_dpu

PLのロードが完了したら、Linuxの remoteproc フレームワークを利用して、R5コアにファームウェア（zephyr_dpu.elf）をロードして起動させます。

sudo -i
echo zephyr_dpu.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware
echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state

sudo -i

echo zephyr_dpu.elf > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/firmware

echo start > /sys/class/remoteproc/remoteproc0/state

ZephyrからのDPU監視と動作確認

ファームウェアが正常に起動すると、KV260のMicroUSB経由で接続したシリアルコンソール上に、ZephyrのブートログおよびDPU、SFM（Softmax）、INTC（割り込み）の監視ログがリアルタイムに表示されるようになります。

コンソールに出力される実際のログ内容は以下の通りです。

--- KV260 HW System Monitor (Zephyr) ---
Monitoring: DPU(0xA0000000), SFM(0xA0001000), INTC(0x80000000)
STAT -> DPU: 0x04 | SFM : 0x04 | INTC_ISR : 0x00
STAT -> DPU: 0x04 | SFM : 0x04 | INTC_ISR : 0x00
~~~~~~~~~~~~~
# DPU IP Running from PetaLinux
sudo devmem 0xA0000000 32 1
~~~~~~~~~~~~~
STAT -> DPU: 0x01 | SFM : 0x04 | INTC_ISR : 0x00
STAT -> DPU: 0x01 | SFM : 0x04 | INTC_ISR : 0x00