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Vivado HLS 视频课程总结.pdf
Vivado HLS 视频课程总结
（视频来源：http://xilinx.eetop.cn/category-83）
Darcy
2019-1-11
目录
1 从软件工程师的角度来看 FPGA 架构 ...................................................................................................... 3
2 Vivado HLS 的工作机制 .................................................................................................................................. 5
3-4 HLS 设计流程基本概念 ............................................................................................................................... 9
5 任意精度数据类型 ......................................................................................................................................... 15
5.1 C 语言支持的数据类型 .................................................................................................................... 15
5.2 sizeof()函数使用 ............................................................................................................................... 16
5.3 设置 Visual Studio 支持任意精度数据类型 ............................................................................ 17
6 数组类型转换 ................................................................................................................................................. 17
6.1 变量的定义和初始化 ........................................................................................................................ 17
6.2 定点数据类型 ................................................................................................................................... 18
6.3 浮点数据类型的定义和初始化 ................................................................................................... 19
6.4 隐式数据类型转换 .......................................................................................................................... 19
6.5 显示数据类型转换 .......................................................................................................................... 19
7 Vivado HLS 中的复合数据类型 ................................................................................................................... 20
7.1 结构体 ................................................................................................................................................. 20
7.2 枚举类型 ............................................................................................................................................ 22
8 Vivado HLS 中的 C++基本运算 .................................................................................................................. 23
9 测试平台的基本架构 .................................................................................................................................... 25
9.1 Test Bench ........................................................................................................................................ 25
9.2 C Test Bench .................................................................................................................................... 26
10 测试激励 ........................................................................................................................................................ 28
11 测试输出检测与格式控制 ......................................................................................................................... 28
11.1 Scoreboard ...................................................................................................................................... 28
11.2 输出格式控制 .................................................................................................................................. 30
12 接口综合基本介绍 ...................................................................................................................................... 33
12.1 接口综合概述 .................................................................................................................................. 33
12.2 block-level interface protocol 和 port-level interface protocol ..................... 34
13 接口综合之数组 ........................................................................................................................................... 35
14 接口综合案例演示 ...................................................................................................................................... 37
14.1 添加寄存器 ...................................................................................................................................... 37
14.2 添加时钟使能信号 ......................................................................................................................... 38
14.3 指令优化 ........................................................................................................................................... 38
15 for 循环优化-基本性能指标 ...................................................................................................................... 40
15.1 基本衡量指标 .................................................................................................................................. 40
15.2 for 循环 pipeline ......................................................................................................................... 41
15.3 for 循环 UNROLL 展开 .................................................................................................................... 41
15.4 for 循环变量 i ................................................................................................................................ 42
16 for 循环优化-循环合并 ............................................................................................................................... 42
17 for 循环优化-数据流 ................................................................................................................................... 46
18 for 循环优化-嵌套的 for 循环优化 .......................................................................................................... 54
18.1 循环嵌套类型 .................................................................................................................................. 54
18.2 Perfect loop nest 示例 ............................................................................................................. 55
18.3 Imperfect loop nest 示例 ......................................................................................................... 56
19 for 循环优化-其他优化方法 ...................................................................................................................... 59
19.1 for 循环的并行性 .......................................................................................................................... 59
19.2 for 循环 pipeline 时的 rewind 选项 ....................................................................................... 61
19.3 for 循环的循环边界是变量时处理方法 ................................................................................... 64
20 数组优化-数组分割 .................................................................................................................................... 67
20.1 数组接口 ........................................................................................................................................... 67
20.2 数组分割 ........................................................................................................................................... 67
21 数组优化-数组映射和重组 ....................................................................................................................... 69
21.1 数组的映射 ...................................................................................................................................... 69
21.2 数组的重组 ...................................................................................................................................... 72
21.3 综合对比 ........................................................................................................................................... 72
22 数组优化-其他优化方法 ........................................................................................................................... 72
22.1 定义 ROM ............................................................................................................................................ 72
22.2 数组的初始化 .................................................................................................................................. 74
23 函数层面优化 ............................................................................................................................................... 75
23.1 代码风格 ........................................................................................................................................... 75
23.2 Inline ............................................................................................................................................... 75
23.3 Allocation ...................................................................................................................................... 75
23.3 Dataflow........................................................................................................................................... 75
24 总结分析 ........................................................................................................................................................ 77
24.1 改善吞吐率（Throughput） .................................................................................................... 77
24.2 改善时延（Latency） ................................................................................................................. 78
24.3 改善资源（Area） ....................................................................................................................... 79
1 从软件工程师的角度来看 FPGA 架构
FPGA 属于可编程的 ASIC，这里的可编程是指硬件可编程（相对应的有软件可编程）
FPGA 可分为传统 FPGA，SOC（也就是嵌入 ARM 的 FPGA），由于其硬件可编程特性，所
以称之为“液体硬件”，而 CPU、DSP、GPU 属于软件可编程，CPU 适用于管理和调度（数
据的访问，文件的管理，人机交互），DSP 在管理方面有所减弱，但是在算法方面有所加
强，适合做一些递归的算法，而 GPU 则可以同时执行多个进程，所以特别适用于对大块
数据的流处理。为了加速处理，面对大的运算量，我们常见的手段有提高主频、增加处理
核的数量，但是这样带来的直接问题就是功耗的攀升，再一个局限性就是主频的提升空间
毕竟是有限的。而 FPGA 本身存在大量的乘法单元，所以在执行算法方面可以有很高的并
行度。此外 SOC 的出现即实现了把 ARM 嵌入 FPGA 中也使得 FPGA 在管理方面得到了加
强，相比 GPU 而言功耗更低，并且软件工程师们已经可以采用纯 C/C++来对 FPGA 进行
编程，相比以往采用 VHDL 或 Verilog 进行编程的方式来说更加容易上手，降低学习门槛
的同时也大大提升了编程的效率。
常规的 FPGA 架构主要包括以下三个方面：可编程逻辑单元、可编程 I/O 和布线资
源。随着工艺的发展，现如今的 FPGA 资源已经得到了极大的拓展，如下所示：
图 1-1 常规 FPGA 架构
而算法工程师主要关注三个方面：逻辑单元（Logic Unit）、存储单元（Memory Unit）
和算数逻辑单元（Arithmetic-logic Unit）。逻辑单元主要指查找表（LUT）、乘法器（MUX）、
进位链（carry chain），如下图所示：
图 1-2 逻辑单元
查找表去实现逻辑发生器的时候，本质上是基于真值表的方式实现的。而加法运算
实际上也是属于逻辑运算，因为我们可以把加法运算分解成异或、或、与这样的运算，
所以我们在运行加法运算的时候是会用到查找表的，当然我们也可以用算术逻辑单元中
的 DSP48 来实现，如下所示为 DSP48 简化得到的架构：
图 1-3 DSP48 简化架构
里面包括了预加器、乘法器还有算术逻辑单元，可以实现的功能还包括乘法、乘加、
乘累加，诸如数字滤波、快速傅立叶变换等算法方面都有会用到这些基本的运算。
存储单元可以分为 Block RAM 和分布式 RAM（即 SLICEM 中的 LUT）两大类，前者
适用于较大的数据量存储，后者适用存储小于 1kb 的小数据量。Block RAM 的工作模式
有多种选择，可以是单端口 RAM、双端口 RAM、单端口 ROM、双端口 ROM 和 FIFO。
图 X 7 系列 Blocke RAM 由 2 块 18KbRAM 组成，四种配置方式
在 HLS 中实现数组时可以选择使用 BRAM 形式还是分布式 RAM 的形式。
算法工程师需要了解每个单元的功能，具体的算法操作和这些功能的对应关系，算
法模型的资源利用率，以及对算法进行优化的方法。这里我们需要特别关注的问题就是
怎么让我们通过 HLS 生成的 HDL 代码可以很高效的运行。
2 Vivado HLS的工作机制
现如今电子系统级的设计方法发展主要经历三个阶段：计算机辅助设计（CAD）-->
计算机辅助工程（CAE）-->电子设计自动化（EDA），在电子设计自动化阶段开始使用硬
件描述语言，如常见的 VHDL 和 Verilog，在如今这个电子系统级的设计阶段我们希望采
用具有更高抽象度的方式去描述系统行为，所以在这个阶段会有两个最显著的特征：一
个是采用高级语言去描述系统行为即用 C/C++来实现系统建模——Vivado HLS，再一个
就是采用基于模型的方法—— System Generator。
图 2-1
采用 Vivado HLS 实现也就是高层次综合的方法的有以下优势：
提高硬件工程师的生产率：硬件工程师使用 VHDL 或 Verilog 这些硬件描述语言来编
程时需要关注的是时序和并行性，并行性是体现在与硬件电路的直接挂钩，如同时指定
多个输入输出端口进行赋值运算，而时序是需要人为去设计的，这对复杂的实现来讲是
比较费力的，而我们在使用 C/C++去编程实现系统建模的时候更多是关注在算法本身，
如何用 C/C++将算法高效地描述出来是我们关注的核心，把从高级语言到硬件描述语言
的转换交给 Vivado HLS 去帮我们实现。
软件工程师可以借此提高系统性能：也就是说之前可能需要 CPU/DSP/GPU 实现的
一些算法，我们都可以借助 Vivado HLS 直接通过 C/C++编程来用 FPGA 实现，一方面提
高了并行性，也就是提高了系统的吞吐率，另一方面还可以降低系统的功耗。有了高层
次综合工具之后就可以在 C/C++层面进行算法的开发，算法的验证。可以通过一些优化
指导，也就是指导综合工具如何把 C/C++描述的算法更高效地转化成相应的 HDL 代码。
在用 C／C++描述完算法之后，还需要相应的测试程序来测试算法的正确性。同时
生成的 HDL 代码在验证时也会用的 C／C++编写的测试激励。从这个角度而言，Vivado
HLS 生成的 HDL 代码并不是要求我们看懂的，因为生成的 HDL 代码命名本身并没有什
么可读性，所以我们需要做的就是在 C/C++层面把算法做更多的优化，以及对综合工具
采用相应的指导（directives）。
Vividao HLS 在将 C/C++代码转换成 HDL 代码时所经历的阶段如图 2-2 所示：
图 2-2
调度（Scheduling）：实现控制逻辑的提取，确定每个时钟周期应该执行的操作，计
算操作所需要的时钟周期和可以并行执行的操作，会生成相应的状态机，
绑定（Binding）：实现资源的映射即将每个操作映射到所需要的资源上去。
举例说明：以下代码实现了简单的等式 y=x*a+b+c:
图 2-3
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