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本帖最后由 GoldSunMonkey 于 2013-7-5 22:51 编辑
Vivado HLS配合C语言等高级语言能帮助您在FPGA上快速实现算法。高层次综合（HLS）是指自动综合最初用C、C++或SystemC语言描述的数字设计。工程师之所以对高层次综合如此感兴趣，不仅是因为它能让工程师在较高的抽象层面上工作，而且还因为它能方便地生成多种设计解决方案。利用HLS，您能探索各种可能性，分析面积和性能特点，最终确定一个方案在FPGA芯片上实现算法。举例来说，您能探索将存储器映射到Block RAM（BRAM）或分布式RAM上有什么不同的影响，或者分析回路展开以及其它回路相关优化有什么效果，而且不必手动生成不同的寄存器传输级（RTL）设计。您所要做的仅仅是在C/C++/SystemC设计中设置相关指令而已。赛灵思在其最新发布的Vivado™工具套件中推出了HLS工具。Vivado HLS是AutoESL工具的品牌转型重塑，可提供众多技术帮助您优化C/C++/SystemC代码以实现目标性能。这样的HLS工具就能帮助您在FPGA上快速实现算法，无需借助基于Verilog和VHDL等硬件描述语言的非常耗时的RTL设计方法。为了帮助用户了解Vivado HLS如何工作，我们不妨以矩阵乘法设计为例逐步剖析从设计描述（C/C++/SystemC）到FPGA实现整个端对端综合流程。矩阵乘法在许多应用中都很常见，并广泛用于图像和视频处理、科学计算和数字通信。本项目中的所有结果均使用Vivado HLS 2012.4生成，搭配使用赛灵思 ISE®软件（14.4版）进行物理综合和布局布线。此外，这一流程还采用了ModelSim和GCC-4.2.1-mingw32vc9进行RTL协同仿真。图1显示了简单的综合流程，从C/C++/SystemC设计开始。C/C++/SystemC testbench用于验证设计功能的正确性，同时还可用于RTL和C的协同仿真。协同仿真包括验证生成的RTL设计（.v或.vhd）功能，这要使用C/C++/SystemC测试平台而不是RTL测试平台或者采用e或Vera验证语言编写的测试平台。时钟周期约束设置了设计应该运行的目标时钟周期。设计将被映射到目标FPGA器件——赛灵思FPGA上。
C语言的矩阵乘法
为了充分利用我们的矩阵乘法实例，我们将探索矩阵乘法C语言实现方案的各种修订版本，从而展示它们对综合设计的影响。这一过程将凸显您在使用HLS进行原型设计和实际设计时需要注意的重要问题。我们将跳过创建工程的有关步骤，因为您能很方便地在工具文档中找到相关参考材料。我们将重点介绍设计和实现等方面。在典型的Vivado HLS流程中，我们需要三个C/C++文件：源文件（包括待综合的C函数）、头文件和通过main()函数调用描述testbench的文件。头文件不仅包括源文件中使用的函数的声明，也包括支持具有特定位宽的用户定义数据类型的指令。这也使得设计人员能够采用与C/C++所定义标准位宽不同的位宽。举例来说，整形数据类型（int）在C语言中通常为32位长，但是在Vivado HLS中您可指定用户定义的数据类型，例如只使用16位的“data”。图2显示了用于矩阵乘法的简单C函数。两个矩阵mat1和mat2进行乘法。为了简单起见，两个矩阵大小一样，都是两行两列。
在HLS流程中执行的步骤如下：
• 第一步：创建工程
• 第二步：测试功能
• 第三步：综合
• 第四步：RTL协同仿真
• 第五步：导出RTL / RTL实现第一步编译工程并在不同的设计文件中测试语法错误等。第二步测试待实现的函数（在源文件中）功能是否正确。在这一步骤中您将使用testbench执行函数调用，验证其功能是否正确。如果功能验证失败，您就需要返回来修改设计文件。第三步进行综合，Vivado HLS综合源文件中定义的函数。这一步的输出包括C函数的Verilog和VHDL代码（RTL设计），也包括目标FPGA的资源利用率估算和时钟周期估算。此外，Vivado HLS还可生成latency估算和回路相关的度量指标等。第四步是使用C testbench仿真生成的RTL。这一步叫做RTL协同仿真，因为工具采用的就是之前用于验证C源代码的testbench，现在则测试RTL的功能正确性。要成功完成这一步，您系统（Windows或Linux）中的PATH环境变量应包含ModelSim安装的路径。此外，您还应在ModelSim安装文件夹中包含GCC-4.2.1-mingw32vc9套件。最后，第五步就要将RTL导出为IP模块，用于更大的设计中，并由其它赛灵思工具进行处理。您可将RTL导出为IP-XACT格式的IP模块，也可导出为System Generator IP模块或pcore格式的IP模块，进而用于赛灵思嵌入式设计套件。导出Vivado生成的RTL时，您可以选择工具的“评估”选项来评估布局布线后的性能并且运行RTL实现。在此情况下， Vivado HLS工具会调用赛灵思ISE工具。要实现这一目的，您的系统PATH环境变量需包括ISE安装路径，Vivado HLS将会搜索ISE安装。当然，您也不一定非要将Vivado生成的RTL导出为以上三种格式之一的IP模块不可。导出的格式文件可放在三个不同路径下：
//impl/
或project_directory>//impl/或
//impl/。此外，您也可在较大设计中使用Vivado生成的RTL，或者将其本身用作顶层设计。当较大设计中例化导出的RTL时，您应注意相关接口要求。
当综合图2中的C函数时，您将获得如图3所示的RTL级实现方案。您会发现，实现方案中的矩阵1和矩阵2的元素被读取到函数，并且积矩阵的元素被写出。这样，实现方案假定“矩阵乘法”实体以外的存储器能用来存储矩阵1、矩阵2和乘积矩阵的元素。表1介绍了信号描述，表2则介绍了设计度量指标。表2：用于图3所示设计的设计度量指标
设计度量指标
器件：XC6VCX75TFF784-2
DSP48E
1
查找表
44
触发器
61
实现的最佳时钟周期（ns）
2.856
时延
69
吞吐量（初始间隔）
69
Vivado HLS配合C语言等高级语言能帮助您在FPGA上快速实现算法。高层次综合（HLS）是指自动综合最初用C、C++或SystemC语言描述的数字设计。工程师之所以对高层次综合如此感兴趣，不仅是因为它能让工程师在较高的抽象层面上工作，而且还因为它能方便地生成多种设计解决方案。利用HLS，您能探索各种可能性，分析面积和性能特点，最终确定一个方案在FPGA芯片上实现算法。举例来说，您能探索将存储器映射到Block RAM（BRAM）或分布式RAM上有什么不同的影响，或者分析回路展开以及其它回路相关优化有什么效果，而且不必手动生成不同的寄存器传输级（RTL）设计。您所要做的仅仅是在C/C++/SystemC设计中设置相关指令而已。赛灵思在其最新发布的Vivado™工具套件中推出了HLS工具。Vivado HLS是AutoESL工具的品牌转型重塑，可提供众多技术帮助您优化C/C++/SystemC代码以实现目标性能。这样的HLS工具就能帮助您在FPGA上快速实现算法，无需借助基于Verilog和VHDL等硬件描述语言的非常耗时的RTL设计方法。为了帮助用户了解Vivado HLS如何工作，我们不妨以矩阵乘法设计为例逐步剖析从设计描述（C/C++/SystemC）到FPGA实现整个端对端综合流程。矩阵乘法在许多应用中都很常见，并广泛用于图像和视频处理、科学计算和数字通信。本项目中的所有结果均使用Vivado HLS 2012.4生成，搭配使用赛灵思 ISE®软件（14.4版）进行物理综合和布局布线。此外，这一流程还采用了ModelSim和GCC-4.2.1-mingw32vc9进行RTL协同仿真。图1显示了简单的综合流程，从C/C++/SystemC设计开始。C/C++/SystemC testbench用于验证设计功能的正确性，同时还可用于RTL和C的协同仿真。协同仿真包括验证生成的RTL设计（.v或.vhd）功能，这要使用C/C++/SystemC测试平台而不是RTL测试平台或者采用e或Vera验证语言编写的测试平台。时钟周期约束设置了设计应该运行的目标时钟周期。设计将被映射到目标FPGA器件——赛灵思FPGA上。
C语言的矩阵乘法为了充分利用我们的矩阵乘法实例，我们将探索矩阵乘法C语言实现方案的各种修订版本，从而展示它们对综合设计的影响。这一过程将凸显您在使用HLS进行原型设计和实际设计时需要注意的重要问题。我们将跳过创建工程的有关步骤，因为您能很方便地在工具文档中找到相关参考材料。我们将重点介绍设计和实现等方面。在典型的Vivado HLS流程中，我们需要三个C/C++文件：源文件（包括待综合的C函数）、头文件和通过main()函数调用描述testbench的文件。头文件不仅包括源文件中使用的函数的声明，也包括支持具有特定位宽的用户定义数据类型的指令。这也使得设计人员能够采用与C/C++所定义标准位宽不同的位宽。举例来说，整形数据类型（int）在C语言中通常为32位长，但是在Vivado HLS中您可指定用户定义的数据类型，例如只使用16位的“data”。图2显示了用于矩阵乘法的简单C函数。两个矩阵mat1和mat2进行乘法。为了简单起见，两个矩阵大小一样，都是两行两列。
在HLS流程中执行的步骤如下：• 第一步：创建工程
• 第二步：测试功能
• 第三步：综合
• 第四步：RTL协同仿真
• 第五步：导出RTL / RTL实现第一步编译工程并在不同的设计文件中测试语法错误等。第二步测试待实现的函数（在源文件中）功能是否正确。在这一步骤中您将使用testbench执行函数调用，验证其功能是否正确。如果功能验证失败，您就需要返回来修改设计文件。第三步进行综合，Vivado HLS综合源文件中定义的函数。这一步的输出包括C函数的Verilog和VHDL代码（RTL设计），也包括目标FPGA的资源利用率估算和时钟周期估算。此外，Vivado HLS还可生成latency估算和回路相关的度量指标等。第四步是使用C testbench仿真生成的RTL。这一步叫做RTL协同仿真，因为工具采用的就是之前用于验证C源代码的testbench，现在则测试RTL的功能正确性。要成功完成这一步，您系统（Windows或Linux）中的PATH环境变量应包含ModelSim安装的路径。此外，您还应在ModelSim安装文件夹中包含GCC-4.2.1-mingw32vc9套件。最后，第五步就要将RTL导出为IP模块，用于更大的设计中，并由其它赛灵思工具进行处理。您可将RTL导出为IP-XACT格式的IP模块，也可导出为System Generator IP模块或pcore格式的IP模块，进而用于赛灵思嵌入式设计套件。导出Vivado生成的RTL时，您可以选择工具的“评估”选项来评估布局布线后的性能并且运行RTL实现。在此情况下， Vivado HLS工具会调用赛灵思ISE工具。要实现这一目的，您的系统PATH环境变量需包括ISE安装路径，Vivado HLS将会搜索ISE安装。当然，您也不一定非要将Vivado生成的RTL导出为以上三种格式之一的IP模块不可。导出的格式文件可放在三个不同路径下：
//impl/
或project_directory>//impl/或
//impl/。此外，您也可在较大设计中使用Vivado生成的RTL，或者将其本身用作顶层设计。当较大设计中例化导出的RTL时，您应注意相关接口要求。
当综合图2中的C函数时，您将获得如图3所示的RTL级实现方案。您会发现，实现方案中的矩阵1和矩阵2的元素被读取到函数，并且积矩阵的元素被写出。这样，实现方案假定“矩阵乘法”实体以外的存储器能用来存储矩阵1、矩阵2和乘积矩阵的元素。表1介绍了信号描述，表2则介绍了设计度量指标。表2：用于图3所示设计的设计度量指标设计度量指标
器件：XC6VCX75TFF784-2
DSP48E
1
查找表
44
触发器
61
实现的最佳时钟周期（ns）
2.856
时延
69
吞吐量（初始间隔）
69
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调整代码
图4中的代码能够满足您的需求，它是源文件的一部分，应该属于C++文件而非此前的C文件。您应在头文件matrixmultiply.h中包含另外两个相关头文件：hls_stream.h和ap_int.h。请注意，在图2中，当源文件为C文件时，头文件包含了ap_cint.h。头文件ap_int.h和ap_cint.h有助于分别为C++和C源文件定义用户定义的任意位宽的数据类型。需要头文件hls_stream.h来充分利用流接口，并且只有在源文件为C++语言时才能使用。
图4:用于矩阵乘法的重组源代码
为了让设计只接收输入矩阵流，并输出积矩阵流，您应在代码中实现读和写数据流。流接口就像FIFO。默认情况下这个FIFO的深度为1。
表3 - 图5中设计的信号描述
信号
描述
d_mat1_V_read
设计为矩阵1（左侧矩阵）输入做好准备时的信号
d_mat1_V_dout [15:0]
矩阵1的16位流元素
d_mat1_V_empty
通知设计矩阵1没有更多元素的信号
d_mat2_V_read
设计为矩阵2（右侧矩阵）输入做好准备时的信号
d_mat2_V_dout [15:0]
矩阵2的16位流元素
d_mat2_V_empty
通知设计矩阵2没有更多元素的信号
d_product_V_din [15:0]
积矩阵的16位输出元素
d_product_V_full_n
通知设计积矩阵应该被写入的信号
d_product_V_write
显示积矩阵正在被写入数据的信号
ap_clk
设计的时钟信号
ap_rst
设计的高有效同步复位信号
ap_start
开始计算的开始信号
ap_done
计算结束和准备好信号输出的完成信号
ap_idle
表明实体（设计）空闲的空闲信号
ap_ready
表示设计为新输入数据做好准备，与ap_idle配合使用
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