Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い4（単発アクセス 2）

”Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い3（単発アクセス 1）”の続き。

Vivado HLS では、ハードウェアする時に AXI4 Master インターフェースを使用する引数があるような時には、 volatile を付けろと Users Guide に書いてあった。しかし、 Vitis HLS での volatile の扱いは違っているのかも知れない？それを検証してみようということで、前回は、volatile を引数に付けない場合の AXI4 Master インターフェースの単発アクセスについて検証した。結果は、Read、 Write 共に 1 回の AXI4 Master アクセスとなった。今回は、関数の引数に volatile を付けて、その結果を見てみよう。

pointer_stream_bed関数（ミススペルに気がついたが、そのまま行きます） d_o と d_i 引数に volatile を付けた。

これで C コードの合成を行った。結果を示す。
ＥＲＫＡ．　ステソスコープ　フィネス　ピンク

Latency は 29 クロックだった。

C/RTL 協調シミュレーションを行った。結果を示す。
Latency は 49 クロックだった。

C/RTL 協調シミュレーションの波形を示す。

Read も Write も 2 回ずつのアクセスが発生している。
Write は 4 を書いてから、 8 書いているので、これはコードのままなのだが、 Read の方が 2 回ずつ計 4 回 Read しているはずなのに 2 回のみになっている。
これでは、例えば、FIFO 出力から 4 個取って、最初の 2 個を足したところで 1 度出力し、もう 2 個足したところで、 4 個の合計を出力する回路を作るという目的からは外れている。それでは、ソースコード通りにアクセスを発生させるにはどうしたら良いだろうか？次回はソースコード通りにアクセスを発生させてみよう。

Microchip Technology Hello FPGAキットが来ました

Microchip Technology Hello FPGAキットが土曜日に来ました。

Mouser の Microchip Technology Hello FPGAキットのページです。
非揮発性、フラッシュベース、低消費電力SmartFusion2 SoC FPGA（M2S010）が乗っているようです。
Mouser の Microchip Technology Hello FPGAキットのページの特徴を引用します。

・制御ロジックとデータアクイジション、画像処理、信号処理、人工知能アプリケーションの開発に最適です。
・非揮発性、フラッシュベース、低消費電力SmartFusion2 SoC FPGA（M2S010）に基づいています。
・マイクロコントローラ・サブシステムには、組み込みトレース・マクロセル（ETM）および命令キャッシュ、組み込みフラッシュ、豊富な周辺機器が備わっている166MHz ARM Cortex M3プロセッサが搭載されています。
・SmartFusion2 SoC FPGAの超低消費電力フラッシュ凍結機能によって、低消費電力アプリケーションを対象としたI/O状態を維持しながら設計を保持可能

Libero SoC というのが Microchip の FPGA 用ツールで、Silver(Free) が無料のようです。

MICROCHIPのSmart High-Level Synthesis (SmartHLS)はSmartHLS v2021.2 release requires a free stand-alone license.
ということで無料でライセンスもらえるようです。

2021年11月15日 05:24 |
Hello FPGA
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Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い3（単発アクセス 1）

”Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い2（バーストアクセス 2）”の続き。

Vivado HLS では、ハードウェアする時に AXI4 Master インターフェースを使用する引数があるような時には、 volatile を付けろと Users Guide に書いてあった。しかし、 Vitis HLS での volatile の扱いは違っているのかも知れない？それを検証してみようということで、前回は、volatile を付けない引数の AXI4 Master インターフェースのバーストアクセスを使用する場合を Vitis HLS 2021.2 で検証した。結果は、volatile を付けない方が良いということだった。次に、AXI4 Master インターフェースで volatile を付けたほうが良い場合を検証していこう。今回は、volatile を引数に付けない場合の AXI4 Master インターフェースの単発アクセスについて検証する。

Vitis High-Level Synthesis User Guide UG1399 2021-10-27 2021.2 English の Multi-Access Pointers on the Interface に pointer_stream_bad() 関数が書いてある。その関数を自分で少し改変してソースコードとして引用する。（pointer_stream_bad.cpp）

// pointer_stream_bad.cpp
// 2021/11/11

#include "stdint.h"

void pointer_stream_bed(int32_t *d_o, int32_t *d_i){
#pragma HLS INTERFACE mode=m_axi depth=1 port=d_i offset=slave
#pragma HLS INTERFACE mode=m_axi depth=1 port=d_o offset=slave
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=return
    int32_t acc = 0;

    acc += *d_i;
    acc += *d_i;
    *d_o = acc;
    acc += *d_i;
    acc += *d_i;
    *d_o = acc;
}

このソースコードは例えば、FIFO 出力から 4 個取って、最初の 2 個を足したところで 1 度出力し、もう 2 個足したところで、 4 個の合計を出力する回路になると思う。 FIFO 出力が AXI4 Lite インターフェースならば、バーストアクセスにならないで単発アクセスなので、ちょうど適合するかな？

テストベンチの pointer_stream_bad_tb.cpp は自分で作成した。

// pointer_stream_bad_tb.cpp
// 2021/11/11 by marsee

#include "stdint.h"
#include "stdio.h"

void pointer_stream_bed(int32_t *d_o, int32_t *d_i);

int main(){
    int32_t d_o = 0;
    int32_t d_i = 2;

    pointer_stream_bed(&d_o, &d_i);

    printf("d_o = %d, d_i = %d\n", (int)d_o, (int)d_i);
}

Vitis HLS 2021.2 で pointer_stream_bad プロジェクトを作成した。

C シミュレーションを行った。
d_o は 2 を 4 回加算したので、8 になっている。

C コードの合成を行った。結果を示す。

C/RTL 協調シミュレーションを行った。結果を示す。
レイテンシは 24 クロックだった。

C/RTL 協調シミュレーションの波形を確認する。

AXI4 Master の Read も Write も 1 回のアクセスのみとなっている。
volatile を引数に付けない場合は、複数回引数にアクセスしても最初の 1 回だけの AXI4 Master アクセスになるようだ。
これは C や C++ として考えると当たり前のことかも知れない。ソフトウェアでは、最初に引数に値を与えて関数をコールし、返り値け結果の値を返すの普通だ。つまり、関数をコールしたら通常は同じ引数から値を得ることは無い。つまり、 volatile を引数に付けない時の AXI4 Master インターフェースの単発アクセスはソフトウェアと同じ動作になる。
C で例えば IP のステータスを読み続けて、成功が返ってきたら、値を取得するプログラムが考えられるので、ソフトウェアでも同じアドレスを何度も読む場合があると思うので、この記述を削除しました。
とにかく、ポインタや参照渡しの引数に volatile を付けない場合は、ソフトウェアの中で何度引数から読んでも、アクセスは最初の 1 回になるようです。書き込みも 1 回だけになるようです。

マキタ　マキタ　タフソケットビット　９．６ｍｍ（３／８）
アシックスジャパン　ウィンジョブＣＰ３０６　１９５１７６６
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Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い2（バーストアクセス 2）

”Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い1（バーストアクセス 1）”の続き。

Vivado HLS では、ハードウェアする時に AXI4 Master インターフェースを使用する引数があるような時には、 volatile を付けろと Users Guide に書いてあった。しかし、 Vitis HLS での volatile の扱いは違っているのかも知れない？それを検証してみようということで、前回は、volatile を付けた引数を AXI4 Master インターフェースと使用する場合を Vitis HLS 2021.2 で検証した。今回は、前回から volatile を除いた場合について検証していこう。

s_squares_axim3.cpp ソースコードを示す。前回のソースコードから引数の volatile を削除した。

#include <stdint.h>

int s_squares_axim(int8_t *x, int8_t *y,
    int32_t *result){
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=y offset=slave bundle=y
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=x offset=slave bundle=x
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=result offset=slave bundle=result
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return

    for(int i=0; i<10; i++){
#pragma HLS PIPELINE II=1
        result[i] = x[i]*x[i] + y[i]*y[i];
    }

    return(0);
}

テストベンチの s_squares_axim_tb.cpp を示す。

#include <iostream>
#include <stdint.h>

int s_squares_axim(int8_t *x, int8_t *y,
    int32_t *result);

int main(){
    int8_t x[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    int8_t y[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int32_t result[10];

    s_squares_axim(x, y, result);

    for(int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "x[" << i << "]= " << (int)x[i] <<
                ", y[" << i << "] = " << (int)y[i] <<
                ", result[" << i << "] = " <<
                (int)result[i] << std::endl;
    }
}

C シミュレーションは前回と同じなので、C コードの合成からやってみよう。結果を示す。

前回の Latency は 28 クロックだったが、今回の実装では、31 クロックになっている。
しかも Modules & Loops に s_squares_axim_Pipline_VITIS_LOOP_10_1 が増えている。
前回のFFは 2143 個、LUT は 2698 個だった。今回の FF は 2214 個、LUT は 3151 個だった。
残りの C コードの合成レポートを示す。

M_AXI Burst Information が変更になっている。
Inferred Burst Summary がきちんとレポートされている。
Inferred Burst and Widening Missed も表示されているが、volatile のじゃなくなっている。
残りの C コードの合成レポートを示す。

C/RTL 協調シミュレーションの結果を示す。
前回のクロック数は 37 クロックで、前回と同じだった。

C/RTL 協調シミュレーションの波形を示す。
これも前回と同じでバーストアクセスとなっている。

IMPLEMENTATION を行った。
これも、全く前回と一緒の結果になった。

AXI4 Master インターフェースの引数から volatile を除いた場合は、C コードの合成では、異なる結果になった。実際に Verilog HDL のコードもファイルが増えていた。しかし、C/RTL 協調シミュレーションでの結果は前回と同じだった。IMPLEMENTATION の結果も前回と全く同じだった。つまり、Vivado で合成すると待った同じ回路になった。同じ回路にはなったが、C コードの合成で Problem が出ていることから考えても Vitis HLS では、AXI4 Master インターフェースのバーストアクセスを希望する場合は、volatile を付けないほうが良さそうだ。
Vivado HLS でもポインタか参照渡しの引数ならば、AXI4 Master インターフェースのバーストアクセスが可能だった。

Vitis HLS 2021.2 での AXI4 Master インターフェースにおける volatile の扱い1（バーストアクセス 1）

Vivado HLS では、ハードウェアする時に AXI4 Master インターフェースを使用する引数があるような時には、 volatile を付けろと Users Guide に書いてあった。しかし、 Vitis HLS での volatile の扱いは違っているのかも知れない？それを検証してみよう。

Vivado HLS 2019.2 UG902 (v2019.2) 2020 年 1 月 13 日の volatile の説明を引用する。

Vitis HLS 2020.1 UG1399 (v2020.1) 2020 年 6 月 24 日の volatile の説明を引用する。

バーストアクセスなし等の文言が増えている。

さて、Vitis HLS 2021.2 で実際にやってみよう。

s_squares_axim3.cpp ソースコードを示す。これは Vivado HLS 時代からセミナの実装例として使用している。
AXI4 Master インターフェースを 3 個持ったデザインとなっている。ここでは、関数を読んだ時に複数個データを Read したり、データを Write したりしているので、 volatile を付けている。

#include <stdint.h>

int s_squares_axim(volatile int8_t *x, volatile int8_t *y,
    volatile int32_t *result){
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=y offset=slave bundle=y
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=x offset=slave bundle=x
#pragma HLS INTERFACE m_axi depth=10 port=result offset=slave bundle=result
#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return

    for(int i=0; i<10; i++){
#pragma HLS PIPELINE II=1
        result[i] = x[i]*x[i] + y[i]*y[i];
    }

    return(0);
}

テストベンチの s_squares_axim_tb.cpp を示す。

#include <iostream>
#include <stdint.h>

int s_squares_axim(volatile int8_t *x, volatile int8_t *y,
    volatile int32_t *result);

int main(){
    int8_t x[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    int8_t y[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int32_t result[10];

    s_squares_axim(x, y, result);

    for(int i=0; i<10; i++){
        std::cout << "x[" << i << "]= " << (int)x[i] <<
                ", y[" << i << "] = " << (int)y[i] <<
                ", result[" << i << "] = " <<
                (int)result[i] << std::endl;
    }
}

s_squares_axim プロジェクトを示す。

C シミュレーションを行った。結果を示す。

C コードの合成を行った。結果を示す。

M_AXI Burst Information に Volatile の Problem が出ているのが分かる。UG1399 でバーストアクセスなしになっているからだろう？
214-227 をクリックすると Burst Interface Failure 5 が表示された。

つまり、volatile を削除しろと言っている。

volatile そのままで C/RTL 協調シミュレーションを行った。結果を示す。
Latency は 37 クロックだった。

C/RTL 協調シミュレーションの波形を見た。
バーストアクセスなしとはなっていても、Read も Write もバーストアクセスしている。

Implementation の結果を示す。

Vitis HLS 2021.2 では、引数に volatile を付けていてもバーストアクセスすることができている。しかし、C コードの合成で volatile を付けていることの Problem が出ている。
次回は、volatile を削除してやってみよう。

KV260 で ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux を試してみる5（OpenCV 4.5.4 をインストール、その2）

”KV260 で ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux を試してみる4（OpenCV 4.5.4 をインストール、その1）”の続き。

KV260 に ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux をインストールして、前回は、OpenCV 4.5.4 をインストールしようということで、cmake まで実行した。今回は、OpenCV 4.5.4 の残りのインストールを行う。

make -j4
で、4 個のプロセッサを使用して、make したが、74 % で止まってしまった。反応が相当遅くなっているみたいだ。

一旦リブートして、もう一度 2 プロセッサで make を実行した。
make -j2

両端面加工ラックＳＲＦ２．５−１５００

make が終了した。

sudo make install

sudo ldconfig

1 つ上のディレクトリに上がって、 samples/python ディレクトリに入った。
cd ../samples/python/
ls

デモ・ソフトウェアを起動した。
python3 demo.py

facedetect.py を Run した。

asift.py を Run した。

これもうまく行った。

画像を見るのに、 viewnior をインストールした。
sudo apt install viewnior

calibrate.py を Run した。カメラのレンズの歪みを補正するソフトウェアのようだ。

これが元画像。

これが補正画像だ。

find_oby.py を Run した。画像が何処にあるかを調べるソフトウェアのようだ。

結果のウインドウ。

OpenCV 4.5.4 はきちんと動作するようだ。

KV260 で ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux を試してみる4（OpenCV 4.5.4 をインストール、その1）

”KV260 で ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux を試してみる3”の続き。

ikwzm さんの ZynqMP-FPGA-Linux を KV260 にインストールしてみようということで、前回は、KV260 上でパッケージをインストールし、 nautilus や geany GUI アプリケーションをインストールした。今回は、OpenCV 4.5.4 をインストールしよう。cmake までを書いた。

OpenCV 4.5.4 をインストールするために参考にしたサイトは”OpenCVが4.0になっていたのでcontribも含めてコンパイルしてみる。”
それと、自分のブログの”Ultra96-V2 に ikwzm/ZynqMP-FPGA-Linux をインストール4(OpenCV 4.1.0 のインストール)”

”OpenCVが4.0になっていたのでcontribも含めてコンパイルしてみる。”を参考にして、必要なパッケージをインストールする。

sudo apt install build-essential

sudo apt install cmake git libgtk2.0-dev pkg-config libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev

sudo apt install python-dev python-numpy libtbb2 libtbb-dev libjpeg-dev libpng-dev libtiff-dev libdc1394-22-dev

OpenCV 4.5.4 を git clone する。
git clone https://github.com/opencv/opencv.git
ls
cd opencv
ls
git checkout -b 4.5.4 refs/tags/4.5.4

”Ultra96-V2 に ikwzm/ZynqMP-FPGA-Linux をインストール4(OpenCV 4.1.0 のインストール)”のパッケージをインストールする。

sudo apt install python3-tk libgtk2.0-dev pkg-config

sudo apt-get install libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev

sudo apt-get install libcanberra-gtk-module

build ディレクトリを作成した。build ディレクトリに入った。
cmake を行った。
mkdri build
cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE \
-DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local \
-DINSTALL_PYTHON_EXAMPLES=ON \
-DINSTALL_C_EXAMPLES=ON \
-DPYTHON_EXECUTABLE=/usr/bin/python3 \
-DBUILD_EXAMPLES=ON \
-DWITH_GTK=ON \
-DWITH_FFMPEG=ON ..

-- General configuration for OpenCV 4.5.4 =====================================
--   Version control:               4.5.4
--
--   Platform:
--     Timestamp:                   2021-11-09T19:34:09Z
--     Host:                        Linux 5.10.0-xlnx-v2021.1-zynqmp-fpga aarch64
--     CMake:                       3.13.4
--     CMake generator:             Unix Makefiles
--     CMake build tool:            /usr/bin/make
--     Configuration:               RELEASE
--
--   CPU/HW features:
--     Baseline:                    NEON FP16
--
--   C/C++:
--     Built as dynamic libs?:      YES
--     C++ standard:                11
--     C++ Compiler:                /usr/bin/c++  (ver 8.3.0)
--     C++ flags (Release):         -fsigned-char -W -Wall -Werror=return-type -Werror=non-virtual-dtor -Werror=address -Werror=sequence-point -Wformat -Werror=format-security -Wmissing-declarations -Wundef -Winit-self -Wpointer-arith -Wshadow -Wsign-promo -Wuninitialized -Wsuggest-override -Wno-delete-non-virtual-dtor -Wno-comment -Wimplicit-fallthrough=3 -Wno-strict-overflow -fdiagnostics-show-option -pthread -fomit-frame-pointer -ffunction-sections -fdata-sections    -fvisibility=hidden -fvisibility-inlines-hidden -O3 -DNDEBUG  -DNDEBUG
--     C++ flags (Debug):           -fsigned-char -W -Wall -Werror=return-type -Werror=non-virtual-dtor -Werror=address -Werror=sequence-point -Wformat -Werror=format-security -Wmissing-declarations -Wundef -Winit-self -Wpointer-arith -Wshadow -Wsign-promo -Wuninitialized -Wsuggest-override -Wno-delete-non-virtual-dtor -Wno-comment -Wimplicit-fallthrough=3 -Wno-strict-overflow -fdiagnostics-show-option -pthread -fomit-frame-pointer -ffunction-sections -fdata-sections    -fvisibility=hidden -fvisibility-inlines-hidden -g  -O0 -DDEBUG -D_DEBUG
--     C Compiler:                  /usr/bin/cc
--     C flags (Release):           -fsigned-char -W -Wall -Werror=return-type -Werror=non-virtual-dtor -Werror=address -Werror=sequence-point -Wformat -Werror=format-security -Wmissing-declarations -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes -Wundef -Winit-self -Wpointer-arith -Wshadow -Wuninitialized -Wno-comment -Wimplicit-fallthrough=3 -Wno-strict-overflow -fdiagnostics-show-option -pthread -fomit-frame-pointer -ffunction-sections -fdata-sections    -fvisibility=hidden -O3 -DNDEBUG  -DNDEBUG
--     C flags (Debug):             -fsigned-char -W -Wall -Werror=return-type -Werror=non-virtual-dtor -Werror=address -Werror=sequence-point -Wformat -Werror=format-security -Wmissing-declarations -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes -Wundef -Winit-self -Wpointer-arith -Wshadow -Wuninitialized -Wno-comment -Wimplicit-fallthrough=3 -Wno-strict-overflow -fdiagnostics-show-option -pthread -fomit-frame-pointer -ffunction-sections -fdata-sections    -fvisibility=hidden -g  -O0 -DDEBUG -D_DEBUG
--     Linker flags (Release):      -Wl,--gc-sections -Wl,--as-needed
--     Linker flags (Debug):        -Wl,--gc-sections -Wl,--as-needed
--     ccache:                      NO
--     Precompiled headers:         NO
--     Extra dependencies:          dl m pthread rt
--     3rdparty dependencies:
--
--   OpenCV modules:
--     To be built:                 calib3d core dnn features2d flann gapi highgui imgcodecs imgproc ml objdetect photo python2 python3 stitching ts video videoio
--     Disabled:                    world
--     Disabled by dependency:      -
--     Unavailable:                 java
--     Applications:                tests perf_tests examples apps
--     Documentation:               NO
--     Non-free algorithms:         NO
--
--   GUI:                           GTK2
--     GTK+:                        YES (ver 2.24.32)
--       GThread :                  YES (ver 2.58.3)
--       GtkGlExt:                  NO
--     VTK support:                 NO
--
--   Media I/O:
--     ZLib:                        /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libz.so (ver 1.2.11)
--     JPEG:                        /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libjpeg.so (ver 62)
--     WEBP:                        build (ver encoder: 0x020f)
--     PNG:                         /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libpng.so (ver 1.6.36)
--     TIFF:                        /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libtiff.so (ver 42 / 4.1.0)
--     JPEG 2000:                   build (ver 2.4.0)
--     OpenEXR:                     build (ver 2.3.0)
--     HDR:                         YES
--     SUNRASTER:                   YES
--     PXM:                         YES
--     PFM:                         YES
--
--   Video I/O:
--     DC1394:                      YES (2.2.5)
--     FFMPEG:                      YES
--       avcodec:                   YES (58.35.100)
--       avformat:                  YES (58.20.100)
--       avutil:                    YES (56.22.100)
--       swscale:                   YES (5.3.100)
--       avresample:                NO
--     GStreamer:                   NO
--     v4l/v4l2:                    YES (linux/videodev2.h)
--
--   Parallel framework:            pthreads
--
--   Trace:                         YES (with Intel ITT)
--
--   Other third-party libraries:
--     Lapack:                      NO
--     Eigen:                       NO
--     Custom HAL:                  YES (carotene (ver 0.0.1))
--     Protobuf:                    build (3.5.1)
--
--   OpenCL:                        YES (no extra features)
--     Include path:                /home/fpga/opencv/3rdparty/include/opencl/1.2
--     Link libraries:              Dynamic load
--
--   Python 2:
--     Interpreter:                 /usr/bin/python2.7 (ver 2.7.16)
--     Libraries:                   /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libpython2.7.so (ver 2.7.16)
--     numpy:                       /usr/lib/python2.7/dist-packages/numpy/core/include (ver 1.16.2)
--     install path:                lib/python2.7/dist-packages/cv2/python-2.7
--
--   Python 3:
--     Interpreter:                 /usr/bin/python3 (ver 3.7.3)
--     Libraries:                   /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libpython3.7m.so (ver 3.7.3)
--     numpy:                       /usr/lib/python3/dist-packages/numpy/core/include (ver 1.16.2)
--     install path:                lib/python3.7/dist-packages/cv2/python-3.7
--
--   Python (for build):            /usr/bin/python2.7
--
--   Java:
--     ant:                         NO
--     JNI:                         NO
--     Java wrappers:               NO
--     Java tests:                  NO
--
--   Install to:                    /usr/local
-- -----------------------------------------------------------------
--
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /home/fpga/opencv/build

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