Vitis HLS 是一種高層次綜合工具，支持將 C、C++ 和 OpenCL 函數(shù)硬連線到器件邏輯互連結(jié)構(gòu)和 RAM/DSP 塊上。Vitis HLS 可在Vitis 應(yīng)用加速開發(fā)流程中實(shí)現(xiàn)硬件內(nèi)核，并使用 C/C++ 語(yǔ)言代碼在 Vivado Design Suite 中為賽靈思器件設(shè)計(jì)開發(fā) RTL IP。

Vitis 高層次綜合用戶指南（UG1399）包括Vitis HLS 入門、Vitis HLS 硬件設(shè)計(jì)方法論、Vitis HLS C 語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序參考資料、Vitis HLS 命令參考資料、Vitis HLS 庫(kù)參考資料，以及Vitis HLS 移植指南。由于本指南較長(zhǎng)，下文僅摘錄部分內(nèi)容。如果您希望查閱完整版，請(qǐng)至文末鏈接點(diǎn)擊下載。

Vitis HLS 簡(jiǎn)介

在 Vitis 應(yīng)用加速流程中，在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)和最優(yōu)化 C/C++ 語(yǔ)言代碼以及實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高吞吐量所需的大部分代碼修改操作均可通過 Vitis HLS 工具來自動(dòng)執(zhí)行。在應(yīng)用加速流程中，Vitis HLS 的基本作用是通過推斷所需的編譯指示來為函數(shù)實(shí)參生成正確的接口，并對(duì)代碼內(nèi)的循環(huán)和函數(shù)執(zhí)行流水打拍。Vitis HLS 還支持自定義代碼以實(shí)現(xiàn)不同接口標(biāo)準(zhǔn)或者實(shí)現(xiàn)特定最優(yōu)化以達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Vitis HLS 設(shè)計(jì)流程如下所述：

編譯、仿真和調(diào)試 C/C++ 語(yǔ)言算法。

查看報(bào)告以分析和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將 C 語(yǔ)言算法綜合到 RTL 設(shè)計(jì)中。

使用 RTL 協(xié)同仿真來驗(yàn)證 RTL 實(shí)現(xiàn)。

將 RTL 實(shí)現(xiàn)封裝到已編譯的對(duì)象文件(.xo) 擴(kuò)展中，或者導(dǎo)出到 RTL IP。

高層次綜合基礎(chǔ)

賽靈思 Vitis HLS 工具可將 C 語(yǔ)言或 C++ 語(yǔ)言函數(shù)綜合到 RTL 代碼中，用于在可編程邏輯內(nèi)進(jìn)行加速。Vitis HLS 與Vitis 核開發(fā)套件和應(yīng)用加速設(shè)計(jì)流程緊密集成。

使用高層次綜合(HLS) 設(shè)計(jì)方法論的優(yōu)勢(shì)包括但不限于：

編譯、仿真和調(diào)試 C/C++ 語(yǔ)言算法。

查看報(bào)告以分析和最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將 C 語(yǔ)言算法綜合到 RTL 設(shè)計(jì)中。

使用 RTL 協(xié)同仿真來驗(yàn)證 RTL 實(shí)現(xiàn)。

將 RTL 實(shí)現(xiàn)封裝到已編譯的對(duì)象文件(.xo) 擴(kuò)展中，或者導(dǎo)出到 RTL IP。

HLS 包含以下階段：

1調(diào)度可根據(jù)下列條件判定每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)生的運(yùn)算：

運(yùn)算的依賴關(guān)系何時(shí)已得到滿足或者變?yōu)榭捎谩?/p>

時(shí)鐘周期長(zhǎng)度或時(shí)鐘頻率。

運(yùn)算完成所需時(shí)間（由目標(biāo)器件來定義）。

可用資源分配。

整合任意用戶指定的最優(yōu)化指令。

2綁定會(huì)分配硬件資源用于實(shí)現(xiàn)調(diào)度的每項(xiàng)運(yùn)算，并將運(yùn)算符（例如，加法、乘法和移位）映射到特定 RTL 實(shí)現(xiàn)。例如，mult 運(yùn)算可在 RTL 內(nèi)作為組合乘法器或流水打拍乘法器來實(shí)現(xiàn)。

3控制邏輯抽取可創(chuàng)建有限狀態(tài)機(jī)（FSM），根據(jù)定義的調(diào)度按順序執(zhí)行 RTL 設(shè)計(jì)中的運(yùn)算。

以調(diào)度和綁定為例，下圖顯示了此代碼示例的調(diào)度和綁定階段的示例：

在此示例的調(diào)度階段，根據(jù)高層次綜合的調(diào)度，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將執(zhí)行以下操作：

第一個(gè)時(shí)鐘周期：乘法和第一次加法

第二個(gè)時(shí)鐘周期：如果在第二個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)第一次加法的結(jié)果可用，則執(zhí)行第二次加法并輸出生成。

在最終的硬件實(shí)現(xiàn)中，高層次綜合將頂層函數(shù)的實(shí)參實(shí)現(xiàn)為輸入和輸出 (I/O) 端口。在此示例中，實(shí)參是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)端口。因?yàn)槊總€(gè)輸入變量都是 char 類型，所以輸入數(shù)據(jù)端口位寬均為 8 位。return 函數(shù)為 32 位 int 數(shù)據(jù)類型，而輸出數(shù)據(jù)端口位寬為 32 位。

在此示例的初始綁定階段，高層次綜合使用組合乘法器（Mul）實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，并使用組合加法器/減法器（AddSub）實(shí)現(xiàn)兩次加法運(yùn)算。

在目標(biāo)綁定階段，高層次綜合使用 DSP 模塊資源實(shí)現(xiàn)乘法器和其中一項(xiàng)加法運(yùn)算。部分應(yīng)用使用大量二進(jìn)制乘法器和累加器，這些乘法器和累加器最好在專用 DSP 資源內(nèi)實(shí)現(xiàn)。DSP 模塊是 FPGA 架構(gòu)中可用的計(jì)算塊，可在高性能和高效實(shí)現(xiàn)之間達(dá)成理想的平衡。

Vitis HLS 進(jìn)程概述

Vitis HLS 基于工程，可包含多個(gè)變體（稱為“解決方案”）以驅(qū)動(dòng)綜合與仿真。每個(gè)解決方案均可將 Vivado IP 流程或Vitis 內(nèi)核流程設(shè)定為目標(biāo)。基于目標(biāo)流程，每個(gè)解決方案都將指定不同的約束和最優(yōu)化指令，如 啟用 Vivado IP 流程和啟用 Vitis 內(nèi)核流程中所述。

以下提供了典型設(shè)計(jì)流程中的綜合、分析與最優(yōu)化步驟：

1創(chuàng)建新的 Vitis HLS 工程。

2利用 C 語(yǔ)言仿真來驗(yàn)證源代碼。

3運(yùn)行高層次綜合以生成 RTL 文件。

4分析結(jié)果，包括檢驗(yàn)時(shí)延、啟動(dòng)時(shí)間間隔 (II)、吞吐量和資源使用情況。

5執(zhí)行最優(yōu)化，并按需重復(fù)此步驟。

6使用 C/RTL 協(xié)同仿真驗(yàn)證結(jié)果。

Vitis HLS 基于目標(biāo)流程、默認(rèn)工具配置、設(shè)計(jì)約束和您指定的任意最優(yōu)化編譯指示或指令來實(shí)現(xiàn)解決方案。您可使用最優(yōu)化指令來修改和控制內(nèi)部邏輯和 I/O 端口的實(shí)現(xiàn)，以覆蓋工具的默認(rèn)行為。

C/C++ 代碼綜合方式如下：

1頂層函數(shù)實(shí)參由 Vitis HLS 自動(dòng)綜合到 RTL I/O 端口接口內(nèi)。如 定義接口 中所述，該工具創(chuàng)建的默認(rèn)接口取決于目標(biāo)流程、函數(shù)實(shí)參的數(shù)據(jù)類型和方向、默認(rèn)接口模式以及用戶指定的任何 INTERFACE 編譯指示或指令（用于手動(dòng)定義接口）。

2頂層 C/C++ 函數(shù)的子函數(shù)綜合到 RTL 設(shè)計(jì)的層級(jí)內(nèi)的各塊中。

最終 RTL 設(shè)計(jì)包含與原始頂層 C 語(yǔ)言函數(shù)層級(jí)相對(duì)應(yīng)的模塊或?qū)嶓w層級(jí)。

Vitis HLS 會(huì)將子函數(shù)根據(jù)需要自動(dòng)內(nèi)聯(lián)到更高層次的函數(shù)中或者內(nèi)聯(lián)到頂層函數(shù)中，以提升性能。

您可通過在解決方案中向子函數(shù)指定 INLINE 編譯指示，或者使用 set_directive_inline 并將其設(shè)置為OFF 來禁用自動(dòng)內(nèi)聯(lián)。

默認(rèn)情況下，C 語(yǔ)言子函數(shù)的每次調(diào)用使用的 RTL 模塊的實(shí)例是相同的。但您可以通過在解決方案中指定ALLOCATION 編譯指示或者使用 set_directive_allocation 來實(shí)現(xiàn)多個(gè) RTL 模塊實(shí)例以提升性能。

3控制邏輯抽取可創(chuàng)建有限狀態(tài)機(jī)（FSM），根據(jù)定義的調(diào)度按順序執(zhí)行 RTL 設(shè)計(jì)中的運(yùn)算。

Vitis HLS 工具將不會(huì)展開循環(huán)，除非這樣能夠提升解決方案性能，如展開嵌套的循環(huán)以對(duì)頂層函數(shù)進(jìn)行流水打拍。收起循環(huán)時(shí)，綜合會(huì)為循環(huán)的單次迭代創(chuàng)建邏輯，RTL 設(shè)計(jì)會(huì)為序列中循環(huán)的每次迭代都執(zhí)行此邏輯。展開循環(huán)允許循環(huán)的部分或全部迭代并行發(fā)生，但也會(huì)耗用更多器件資源。

您可以使用 UNROLL 編譯指示或 set_directive_unroll 命令來手動(dòng)展開循環(huán)。

循環(huán)還可通過如下任一方法進(jìn)行流水打拍：通過有限狀態(tài)機(jī)高精度實(shí)現(xiàn)（循環(huán)流水打拍）或者采用基于較低精度的握手的實(shí)現(xiàn)（數(shù)據(jù)流）。

4代碼中的陣列將綜合到最終 FPGA 設(shè)計(jì)中的塊 RAM (BRAM)、LUT RAM 或 UltraRAM 中。

如果陣列位于頂層函數(shù)接口上，那么高層次綜合可將此陣列作為端口來實(shí)現(xiàn)，以便訪問設(shè)計(jì)外部的塊 RAM。

您可使用 ARRAY_PARTITION 或 ARRAY_RESHAPE 編譯指示或者關(guān)聯(lián)的 set_directive_array 命令更改。

綜合后，您可以對(duì)先前生成的各項(xiàng)報(bào)告中的結(jié)果進(jìn)行分析，以確定結(jié)果質(zhì)量。分析結(jié)果后，您可以為工程創(chuàng)建其它解決方案，指定不同的約束和最優(yōu)化指令，并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行綜合與分析。您可對(duì)不同解決方案的結(jié)果進(jìn)行比較，查看哪些有效，哪些無效。您可重復(fù)此過程，直至設(shè)計(jì)達(dá)成所期望的性能特性為止。您可使用多種解決方案持續(xù)進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)仍可保留先前的解決方案。

原文標(biāo)題：Vitis 高層次綜合用戶指南

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