高层次综合（HLS）-简介

    本文是关于Xilinx HLS的简单介绍，从HLS是什么以及HLS的优势出发，进一步阐述了其功能，并针对Xilinx官方的例子对其进行了分析。关键观点包括

• HLS采用C/C++等高级语言描述功能，可以降低FPGA代码的开发时间
• HLS的应用对象是硬件工程师，IP的架构设计依旧由工程师自行指定
• Vivado HLS提供了一套较为完整的代码开发、性能分析和优化、C/RTL仿真、IP导出流程

1.使用HLS的动机

    HLS（High Level Synthesis，高层次综合）是一种代码的综合技术，特别的，本文中描述的HLS特指Xilinx FPGA上应用的HLS。FPGA的基本知识可以从FPGA学习之基本结构得到。Xilinx的文档《Introduction to FPGA Design with Vivado High-Level Synthesis》中的两幅图可以很好的回答这一问题。

    上图表明，虽然FPGA具有的高的性能，然而采用RTL设计FPGA代码需要较长的开发时间。

    然而，采用HLS之后，FPGA开发的时间大大降低了，甚至可能低于DSP和GPU；这大大加速的FPGA的开发时间，使得开发具有了更强的灵活性和高效性，HLS的逐步完善使得FPGA的开发高效性更进一步。技术的发展使得人们可以把精力放在设计上，而更少的去关注底层的具体实现。

2.HLS是什么？

    Vivado的HLS工具的前世今生可以从AutoESL与Xilinx那些人和事中看到，这篇文章写得很有趣。HLS是高层次综合的的简称，“综合”即“Synthesis”，在ug627《XST User Guide》中解释综合是将程序代码翻译为称为NGC的特殊网表文件中，这样才能够对其进行实现。

    至于“层次”，或许可以这样理解。书中一般把FPGA设计分为以下几个级别（对于这个分级实际上没有一个特定的说法，可以参考第13章抽象级别的描述）：

• 系统级
• 算法级
• RTL级
• 门级、开关级

    一般认为RTL级及以下设计是可用的，“层次”即从什么角度去描述想要实现的功能。譬如，a xor b采用门级描述就是a，b是一个异或门的输入；而采用高一点层次描述就是a+b。显然，越低层次的描述越困难，后文例子中也能发现这一点。

   HLS就是从高层次描述，之后综合成可用的网表文件的技术。这里的“高”指采用C、C++等编写程序，而不是传统的HDL语言。然而，实际上Vivado套件中是预先采用Vivado HLS这个软件将C程序转换成为Verilog HDL或者VHDL代码，之后进行下一步操作的，并不是直接综合C代码。

3.Vivado HLS的使用

    《Vivado Design Suite Tutorial ：High-level Synthesis》是一本针对Xilinx HLS的很好的入门指南。通过几个具体的例子，文档手把手的介绍了Vivado HLS的使用方式以及功能。本节将更进一步的对其进行补充

3.1 C代码编写

     Vivado HLS实现的最基本的功能是将C/C++代码综合为HDL代码。所以编程使用的语言是C/C++语言。下面是其中的一个例子（代码为Xilinx例程）

*******************************************************************************/
#include "fir.h"

void fir (
  data_t *y,
  coef_t c[N],
  data_t x
  ) {
#pragma HLS INTERFACE ap_vld port=x

#pragma HLS RESOURCE variable=c core=RAM_1P_BRAM


  static data_t shift_reg[N];
  acc_t acc;
  data_t data;
  int i;
  
  acc=0;
  Shift_Accum_Loop: for (i=N-1;i>=0;i--) {
        if (i==0) {
            shift_reg[0]=x;
            data = x;
    } else {
            shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
            data = shift_reg[i];
    }
    acc+=data*c[i];;       
  }
  *y=acc;
}

    代码实现了一个FIR滤波器，输入输出关系如下式所示

    和编写一般的C代码不同，编写HLS代码依旧需要保留硬件的思想，时刻注意硬件的限制。这一点也可以从工具的名字看出，Vivado这套设计套件是提供给硬件工程师使用的。在进行C代码设计之前，我们需要对数据从哪来，写到哪里去，计算过程中的并行度/流水线和各类存储的访问有明确的设计。C代码实际上只是具体设计的描述，其编写方式不是随意的。

3.2 Pragma

    和一般C代码不同，HLS里有特定的Pragma来对代码进行进一步指定，这是因为从C代码中，编译器往往得不到足够的信息来完成优化工作，譬如

• 数据的输入输出采用何种接口
• 程序内部的计算并行度是多少
• 计算过程中是否需要进行流水线设计

    这一些无法在C代码中指定的内容，可以采用Pragma进行指定，以对综合过程进行更高的控制。

譬如在上述FIR滤波器的例子中，可以使用采用更多的资源进行乘加操作，以达到更高的性能，同时对存储进行设计以防止访存的冲突，具体的pragma为

#pragma HLS UNROLL

#pragma HLS ARRAY_PARTITION variable=shift_reg complete dim = 1

3.3 性能分析

    可以在综合后的报告中对Performance进行评估，也可以在Analysis窗口进行其调度的进一步分析，以判断性能是否满足预期，如下图所示

    可以看到当了UNROLL LOOP操作后，吞吐量得到了提升（solution3 v.s. solution1）。上述优化以吞吐量为目标的，利用流水结构以及Unrolled loop可以优化吞吐量，原因如下图所示

3.4 C/RTL仿真

    在HLS中进行仿真较为简单，采用testbench完成c语言的仿真后，RTL的仿真过程可由综合器自动完成，点击按钮即可。也可具体查看仿真波形。

3.5 导出IP

略

4. 参考资料

ug902《Vivado Design Suite User Guide：High-level Synthesis》

ug871《Vivado Design Suite Tutorial ：High-level Synthesis》