HLS入门实践

原创于 2023-05-29 22:04:04 发布

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文章介绍了HLS（HighLevelSynthesis）技术，这是一种将高级语言（如C）转换为硬件电路的方法，用于提高芯片设计效率。HLS与VHDL/Verilog编程不同，后者是手动编写硬件描述，而HLS自动化程度更高。文章还提到了HLS的关键技术挑战和局限性，并指导如何下载Quartus和VisualStudio进行环境搭建及项目编写。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

1、HLS是什么？

High Level Synthesis（高级综合）是一种自动化的芯片设计方法，通过将高级语言（如C语言）描述的算法转换为硬件电路的形式来实现芯片设计。相比传统的低级硬件描述语言（如Verilog和VHDL），高级综合可以大大提高芯片设计的效率和可移植性，减少设计工作量和开发周期。高级综合技术的应用领域包括数字信号处理、图像处理、通信系统等。它适用于需要高效、高速的计算、复杂判断和控制逻辑的场景，可以帮助芯片设计者更快地完成设计、优化功耗和提高性能。

2、与VHDL/Verilog编程技术有什么关系?

High Level Synthesis（高级综合）与Verilog和VHDL是两种完全不同的设计方法。

Verilog和VHDL是硬件描述语言，用于描述电路的行为和结构，它们与底层的硬件逻辑非常接近，可以灵活地实现各种复杂的逻辑功能。Verilog和VHDL通常由芯片设计工程师使用，在设计过程中，需要手动将代码编写成符合要求的电路结构。而且，Verilog和VHDL相对于高级语言来说更难上手，因此对于一些初次接触硬件设计的程序员来说，学习门槛较高。

High Level Synthesis则是一种自动芯片设计方法，通过将高级语言（如C语言）转换成硬件描述语言（如VHDL或Verilog），从而自动生成电路结构。它可以将复杂算法自动转化为可实现的电路，减少了硬件设计的工作量和开发周期，提高了设计效率和可移植性。

总体来说，High Level Synthesis和Verilog/VHDL都是芯片设计中非常重要的工具，但它们之间的应用范围和设计思路有所不同。High Level Synthesis适用于从高级语言到可实现的电路的转换，而Verilog和VHDL用于手动编写电路的行为和结构，具有更强的灵活性和可编程性。

3、HLS有哪些关键技术问题？目前存在什么技术局限性？

High Level Synthesis（高级综合）作为一种自动芯片设计方法，其核心技术是将高级语言（如C语言）转换成硬件描述语言（如VHDL或Verilog）。在实际应用中，High Level Synthesis面临一些关键技术问题和技术局限性，主要包括：
1.算法的并行化和流水化：高级综合需要将算法转换成硬件电路，其中并行化和流水化是关键技术，必须考虑到数据依赖性、数据冲突等因素。
2.优化：高级综合需要对设计进行逻辑优化，包括布局、布线、时序等方面，以提高电路性能。
3.低功耗设计：高级综合中需要考虑电路的功耗问题，需要进行优化设计，包括时钟频率、电压等方面。
4.可重构设计： High-Level Synthesis设计出的结果也需要满足可重构电路的需求，以方便设计更新和升级。

目前，High Level Synthesis技术仍然存在一些局限性，主要表现为：

1.硬件资源利用率不高：尽管高级综合可以大大缩短设计周期，但由于代码转换的复杂性，生成的硬件电路的效率和资源利用率相对较低，难以满足某些复杂计算的需求。

2.处理并行性能差：如果算法本身不存在高度的并行性，或者处理器架构不支持并行处理，那么就很难通过高级综合实现更好的处理性能。

3.可移植性方面仍有问题：尽管高级综合可以将代码从一种语言转换为另一种语言，但在实际应用中，由于不同的芯片架构、编译器、操作系统等因素，导致代码的移植性仍然存在问题。

4、下载需要的软件

1、quartus 18.1

链接：阿里云盘

2、visual studio 2010下载与安装

百度搜索msdn：第一个就是（该网站并非微软的官方网站，只是民间收集的微软官方发行的的母版样本，不像那种经过网上破解之类的软件可能会出现安全问题。）
在这里插入图片描述
进入网站之后在输入框中输入visual studio 2010，然后点击搜索按钮

下载旗舰版的即可

下载完成之后需要将文件解压，点击setup.exe进行安装

进入到这个界面中，点击框住的选项进行下面的安装
在这里插入图片描述
接受许可条款，然后点击下一步

将想要安装的功能选择为自定义，并选择一个合适的安装路径

我们这里只选择“Visual C++”，然后点击右下角的安装。接下来就是等待了……

等待中……
在这里插入图片描述
安装完成

出现了这个对话框的话直接点击“退出按钮”就可以了

最后打开“开始菜单”，发现多了一个叫“Microsoft Visual Studio 2010”的文件夹，就证明安装成功了。

进入visual studio 2010之后还需要选择开发环境，我们这里选择C++的就好。然后点击启动按钮
在这里插入图片描述

5、环境搭建

找到init_hls.bat，并使用系统命令管理器运行文件。运行时，会自动配置需要的环境
在这里插入图片描述
运行完脚本之后再输入set，让修改生效

注意：每打开一个终端都要进行初始化一次

6、编写项目

1. 新建项目&添加需要的文件

先新建一个项目（最好创建在桌面上）。并将hls需要的头文件配置到项目中
在这里插入图片描述
将hls目录包含到项目中，包含的路径（Quartus安装路径/18.1A/hls/include）

2. 在项目创建led.cpp，参考代码如下：

// 001-first.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
#include "HLS/hls.h"
#include "stdafx.h"


component int led(int currentState)
{
	if (currentState == 0)
	{
		currentState = 1;
	}
	else
	{
		currentState = 0;
	}
	return currentState;
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int ledState = 0;  // 0表示关闭，1表示开启
	for (int i = 0; i < 10; i++)  // 这里为了将方便，将时长给设置的很短
	{
		ledState = led(ledState);
		printf("%d", ledState);
	}
	return 0;
}

3. 编译运行

进入到cpp文件所在路径下，打开命令行工具，输入以下指令生成可执行文件：

i++ -march=x86-64 -o led.exe led.cpp

运行可执行文件查看结果：
在这里插入图片描述

然后再输入指令生成报告、波形等文件（运行第一条指令之后可能需要等一会儿）

i++ -march=CycloneV -o led led.cpp -ghdl
led.exe

在这里插入图片描述

查看报告：在项目下找到这个文件夹，之后进入下面的reports子文件夹下，再找到report.html。这个html文件就是报告。波形文件路径\verification\vsim.wlf
在这里插入图片描述

报告：
在这里插入图片描述
使用命令打开波形文件：

vsim vsim.wlf

选择 函数名_init 模块添加波形
在这里插入图片描述
部分波形：

总结：

总的来说，代码编写起来并不是很难，只要稍微有点C语言基础就可以看懂。难的是在配置环境和解决问题等方面。比如说最开始没有将项目创建在桌面上，就总是无法得到vsim.wlf波形图，导致仿真无法正常进行。目前由于手边暂时没有开发板，无法上板运行看结果。