실습: 멈춤을 견디는 창

목표와 실행 방법

순차 입력에서 3×3 창을 만들고 입력이 잠시 멈춰도 창의 값과 순서가 그대로인지 확인합니다. 새 폴더에 window-lab.mjs를 만들고 아래 코드를 붙인 뒤 node window-lab.mjs를 실행하세요. Node.js 외의 의존성은 없습니다. 설치된 Digital Design Studio의 지원되는 파일 만들기·열기 흐름에서 같은 파일을 수동으로 작성해 검토할 수도 있습니다. DDS에서 이 프로그램을 실행했다거나 원격 실습 프로젝트를 자동 생성했다고 주장하지 않습니다.

이 모델은 입력 수락을 멈추는 조건만 다룹니다. 전체 출력 ready·valid, 메모리 버스, 다채널·패딩·dilation을 구현한 것이 아닙니다. stalls 집합의 값은 실제 반복 사이클 번호이고 accepted는 받은 픽셀 번호입니다. 이 둘을 분리해서 비교하는 것이 실습의 핵심입니다. 멈춤 때는 버퍼, 창, 입력 인덱스가 그대로 남아야 합니다.

예상 창과 시간

입력 1부터 16까지를 폭 4로 해석합니다. 정상 실행에서 첫 창의 acceptedIndex는 10이고 values는 [1,2,3,5,6,7,9,10,11]입니다. 네 창의 수락 인덱스는 [10,11,14,15]입니다. 정상 실행은 16사이클이 걸립니다. 사이클 2,3,12를 멈추는 실행은 19사이클이며 첫 창은 실제 사이클 13에서 만들어집니다. 입력의 수락 인덱스는 여전히 10입니다. 결과의 값과 순서는 같고 도착 시간만 달라집니다.

W=4인 모델의 storageSamples는 두 라인 8샘플과 창 9샘플을 더한 17입니다. 프로그램이 JavaScript 배열을 쓰기 때문에 이 수가 실제 SRAM 바이트 수나 합성 후 면적을 의미하지는 않습니다. 회로로 옮기려면 샘플 비트 폭과 저장 구조를 별도로 정해야 합니다. 출력 창을 무한히 모으는 windows 배열도 검증용 기록이며 제한된 하드웨어 버퍼로 해석하면 안 됩니다.

실패를 만드는 변경

먼저 원본을 실행해 두 결과의 values가 일치하는지 봅니다. 다음에 멈춤 분기에서도 accepted를 증가하도록 임시 수정하면 픽셀이 빠지며 assertion이 실패해야 합니다. 이후 원래 코드로 되돌립니다. 또 새 행의 가로 창 초기화를 없애고 열 0에서부터 출력을 허용하면 이전 행의 마지막 열이 섞인 잘못된 창이 나옵니다. 유효 조건과 상태 전진은 함께 검증해야 합니다.

직접 모델과 비교하려면 각 창에 같은 펼친 커널을 내적한 뒤 출력 순서에 따라 접어 보세요. 실습의 capstone에서는 이것을 다른 기준 모델과 비교합니다. 입력이 바뀌면 손계산으로 첫 창 하나를 먼저 확정하고 나머지를 자동 비교합니다. 실행 결과를 보관할 때 조건, 수락 인덱스와 실제 사이클을 함께 남겨 재현할 수 있게 합니다.

실행 코드

import assert from 'node:assert/strict';
// Two row delays plus three horizontal shift registers: valid 3x3, one channel.
export function streamWindows(pixels, width, stalls = new Set()) {
  const previous = Array(width).fill(0), older = Array(width).fill(0);
  const window = Array.from({length: 3}, () => Array(3).fill(0));
  const windows = []; let accepted = 0, cycles = 0;
  while (accepted < pixels.length) {
    if (stalls.has(cycles++)) continue;
    const row = Math.floor(accepted / width), col = accepted % width;
    if (col === 0) window.forEach(r => r.fill(0));
    const current = pixels[accepted];
    [older[col], previous[col], current].forEach((v, r) => {window[r].shift(); window[r].push(v);});
    older[col] = previous[col]; previous[col] = current;
    if (row >= 2 && col >= 2) windows.push({acceptedIndex: accepted, cycle: cycles - 1, values: window.flat()});
    accepted++;
  }
  return {windows, accepted, cycles, storageSamples: 2 * width + 9};
}
const pixels = Array.from({length: 16}, (_, i) => i + 1);
const normal = streamWindows(pixels, 4);
const paused = streamWindows(pixels, 4, new Set([2, 3, 12]));
assert.deepEqual(normal.windows.map(w => w.acceptedIndex), [10, 11, 14, 15]);
assert.deepEqual(normal.windows[0].values, [1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11]);
assert.deepEqual(paused.windows.map(w => w.values), normal.windows.map(w => w.values));
assert.equal(paused.cycles, 19);
console.log(JSON.stringify({normal, paused}));

RTL 실습: 고정 크기 스트리밍 창

첨부 cnn_window3x3.sv, cnn_conv3x3.sv, tb_cnn_stream.sv를 같은 폴더에 저장하세요. cnn_window3x3는 합성 가능한 SystemVerilog 창 생성기입니다. 한 번 reset한 뒤 signed int8의 4×4 프레임 하나를 행 우선으로 받으며 한 채널,3×3 valid,stride 1,dilation 1,패딩 없음만 지원합니다. 상승 에지에서 in_valid와 in_ready가 모두 1일 때만 입력과 버퍼 좌표가 전진합니다. 입력 생산자는 막힌 동안 값과 valid를 유지해야 합니다. 출력 창도 out_valid=1,out_ready=0이면 유지됩니다. reset은 동기식 active-high이며 다음 프레임 전에 다시 적용합니다.

아래 명령은 Icarus Verilog가 설치된 환경의 외부 시뮬레이터 명령입니다. 설치된 DDS에 파일 만들기·열기 흐름이 지원된다면 파일을 수동 생성·열어 검토할 수 있지만 DDS 실행·합성은 별도 확인이 필요합니다.

iverilog -g2012 -s tb_cnn_stream -o cnn-sim cnn_window3x3.sv cnn_conv3x3.sv tb_cnn_stream.sv
vvp cnn-sim

테스트벤치는 모든 창의 9개 값과 좌표,행 경계,입력·출력 멈춤 중 상태 유지,대기 출력이 있을 때 reset과 프레임 종료를 자동 비교합니다. 정상 1~16 입력의 창 좌표는 (0,0),(0,1),(1,0),(1,1)입니다. 최종 PASS 문장은 frames=6,windows=24,outputs=24,kernels=2와 양의 stalled_cycles를 포함해야 합니다. 실제 실행 로그를 제출하며 실행하지 않았다면 통과로 기록하지 마세요.

변경 과제: 입력 첫 값을 2로 바꾸고 첫 창의 왼쪽 위 값만 변하는지 손계산과 파형으로 확인하세요. 출력 ready가 여러 사이클 0일 때도 다음 창의 값·순서는 같아야 합니다. 창을 보관하는 stage를 없애려면 backpressure의 경로와 상태 유지 조건을 다시 증명해야 합니다.