本文是该系列的第13篇。Vivado HLS是Xilinx FPGA开发套件中的一款软件，可以使用C/C++语言进行设计，并转换为RTL级模型。System Generator中的Vivado HLS block可以将HLS开发软件设计的C/C++代码整合到Simulink环境中，利用Simulink强大的仿真特性对设计进行仿真测试。 ug948中提供的官方例程为图像的中值滤波，该设计将一副256*256大小的RGB图像，添加噪声后提取出其中的Y通道，使用C++语言完成中值滤波。该设计将在Simulink环境下进行仿真。本文将完成改该设计，借此介绍上述功能。

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Vivado HLS完成中值滤波设计

中值滤波是一种常见的图像滤波方法，选取一个核（本设计为3*3）在图像上滑动，取核的中间值作为核中心像素点的值。中值滤波在滤除椒盐噪声的同时模糊效应会明显低于线性平滑滤波。Xilinx提供的C++设计源文件代码清单如下： #include "MedianFilter.h" #define WINDOW_SIZE 3 typedef unsigned char PixelType; #define PIX_SWAP(a,b) { PixelType temp=(a);(a)=(b);(b)=temp; } #define PIX_SORT(a,b) { if ((a)>(b)) PIX_SWAP((a),(b)); } PixelType OptMedian9(PixelType * p) { PIX_SORT(p[1], p[2]) ; PIX_SORT(p[4], p[5]) ; PIX_SORT(p[7], p[8]) ; PIX_SORT(p[0], p[1]) ; PIX_SORT(p[3], p[4]) ; PIX_SORT(p[6], p[7]) ; PIX_SORT(p[1], p[2]) ; PIX_SORT(p[4], p[5]) ; PIX_SORT(p[7], p[8]) ; PIX_SORT(p[0], p[3]) ; PIX_SORT(p[5], p[8]) ; PIX_SORT(p[4], p[7]) ; PIX_SORT(p[3], p[6]) ; PIX_SORT(p[1], p[4]) ; PIX_SORT(p[2], p[5]) ; PIX_SORT(p[4], p[7]) ; PIX_SORT(p[4], p[2]) ; PIX_SORT(p[6], p[4]) ; PIX_SORT(p[4], p[2]) ; return(p[4]) ; } PixelType Mean(PixelType* buffer) { PixelType i, j, min; unsigned int sum; for (i = 0;i<9; i++) { sum+=buffer[i]; } sum/=(WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE); return sum; } PixelType Min(PixelType* buffer) { PixelType i, j, min; min = buffer[0]; for (i = 1;i<9; i++) { if (min>buffer[i]) min = buffer[i]; } return min; } void MedianFilter(PixelType row1, PixelType row2, PixelType row3, PixelType* V) { #pragma AP PIPELINE II=1 /* * Create a local Pixel Buffer based on WindowSize */ static PixelType pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE]; PixelType sortBuffer[WINDOW_SIZE*WINDOW_SIZE]; /* * Each Iteration Interval Update the Pixel Buffers */ for(int i = 0;ifor(int j=0;j<(WINDOW_SIZE-1);++j) { pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*i + (WINDOW_SIZE-j-1)] = pixelWindowBuffer[WINDOW_SIZE*i + (WINDOW_SIZE-j-1)-1]; } } /* * Update the first Pixel of each row */ pixelWindowBuffer[0] = row1; pixelWindowBuffer[3] = row2; pixelWindowBuffer[6] = row3; for(int k = 0;k<9;++k) { sortBuffer[k] = pixelWindowBuffer[k]; } *V = OptMedian9(sortBuffer); }; 可以自己建立HLS工程，如对HLS的使用不熟悉也可以在Xilinx官网搜索“ug948-design-files.zip”下载，其中有示例工程。 右键Solution->C Synthesis->Active Solution，综合设计源文件。完成后，再右键Solution->Export RTL，Format Selection选择为“System Generator for DSP”，点击OK将设计源文件打包为System Generator可以使用的形式。

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将HLS设计导入System Generator

添加一个Vivado HLS block，双击打开该block：

点击Browse，将路径指定到HLS工程的Solution文件夹下。如果路径选择错误，或者HLS工程综合或导出失败导致solution文件夹下没有可用的System Generator文件，软件会提示错误。 设置完毕后，block端口也会随之改变，部分端口名称以ap_开头，表示与block之间的ap_hs通信协议。model的整体连接图如下：
其中包含几个子系统，各子系统及其作用如下：

• Noisy Image：导入一副256*256的图像，转换为一维数据，并为其添加椒盐噪声；
• RGB2Y：将R、G、B通道转换为Y通道（Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B，可以简化为只用两个乘法器的形式Y=0.299*(R-G)+0.114*(B-G)+G）；
• LineBuffer：缓存器存储数据；
• Noisy Input Image/Filtered Image：缓存数据，将一维数据转换为二维图像显示。

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仿真测试

在Noisy Image子系统下，打开Image From File这个block（属于Computer Vision System Toolbox库）。点击Browse，将路径指向一副256*256大小的彩 {MOD}图片。将仿真时间设置为256*256*2，确保可以完成一次图像滤波。运行结果如下：

可以看到经过中值滤波后，很好地滤除了图像中的椒盐噪声。

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Vivado HLS block详解

该block支持C、C++和System C三种设计源文件。使用是首先需要在Vivado HLS开发环境下将设计源文件打包到Solution目录下，然后在block中指向该目录，将设计导入到System Generator设计中。

点击“Edit”可以打开与该solution对应的Vivado HLS工程，允许设计者修改；修改后点击“Refresh”更新block的端口信息。 block默认采用RTL-model进行仿真，如果HLS中包含C仿真模型，可以选中“Use C simulation model if available”，选择C仿真模型。 当选中“Display signal types”时，输入和输出的数据类型会显示在图标上，设计者可以根据该提示设置向此block输入的数据，如下图：

C/C++数据类型和System Generator数据类型之间的转换关系如下表：

在Vivado HLS中进行设计时有如下限制：

• 设计不能是纯组合逻辑，综合到RTL设计后必须包含一个时钟和时钟使能输入信号；
• 顶层模块中不能包含C/C++模板语法；
• C仿真模型与block通信时支持ap_hs通信协议，但不支持ap_memory和ap_bus接口。