【Vitis Accel】1 - HLS 简介

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HLS 简介

HLS: High-Level Synthesis

简单来说，HLS 是为了免去硬件设计者使用 HDL 编程 FPGA的步骤，用 C 语言完成算法设计、验证、综合过程控制，利用 FPGA 实现所需逻辑。

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1. 工作过程

HLS 的工作主要分为以下三段：

1.1 Scheduling 部署

这一部分决定了运算操作在哪一个时钟周期完成。分配取决于：
a. 时钟周期的长度、频率
b. 由目标设备所定义的，运算操作完成所需的时间
c. 用户指定的优化指令

如果时钟周期足够长，或者目标设备足够快，将会有更多的运算操作在一个周期内完成。反之，有些运算操作将在多个周期完成。

1.2 Binding 捆绑

指定完成运算的硬件资源，HLS 需要目标设备的信息来完成此步骤。

1.3 Control logic extraction 控制逻辑提取

提取控制逻辑，建立有限状态机（FSM），以在 RTL 设计中顺序完成运算。

2. 综合过程

HLS 的对 C 程序的综合主要包含以下内容

• 将顶层函数的变量综合为 RTL 的 I/O 接口
• 将 C 函数综合成为 RTL 层次的块（Blocks) 。 如果 C 函数中有子函数的话，形成的RTL也由有对应的子模块组成。
• C 函数中的循环 Loop 默认没有展开（rolled）。如果希望展开循环，并行执行的话，需要使用优化指令（optimization directivities）。Loop 也可以流水化执行。
• C 语言数组在最终的 FPGA 设计中将被综合成为 RAM 块，或者UltraRAN块。如果数组是顶层函数接口，那么数组将被综合成为 ports 来访问设计外的 RAM 块。

HLS的综合会在默认行为，限制constraints，以及用户指定的优化指令（optimization directivities）的基础上建立一个优化过的实现。优化指令（optimization directivities）可以用来修改或者控制内部逻辑和 I/O ports的默认行为。这使得运用相同 C 代码生成不同硬件实现成为可能。

3. 性能参数

为了判断设计是否符合要求，综合报告会包含以下信息

• 面积 Area：包括查找表 LUT，寄存器 registers，RAM块，DSP48等FPGA硬件资源
• 延迟 Latency：计算所有输出值所需的时钟数目
• 启动间隔 Initiation inte