Vivado HLS 教程：高层次综合快速入门

高层次综合 (High-Level Synthesis, HLS) 是一种将高级语言（例如 C、C++ 和 SystemC）描述的算法转换为硬件描述语言 (HDL) 的技术。它使得开发者能够在更高的抽象级别上进行硬件设计，从而提高生产力并缩短开发周期。Vivado HLS 是 Xilinx 提供的一款强大的 HLS 工具，它能够将 C/C++ 代码转换为针对 Xilinx FPGA 优化的 RTL 代码。本教程将引导您快速入门 Vivado HLS，并通过一个具体的例子演示其基本流程。

1. Vivado HLS 的优势

• 提高生产力： 使用高级语言进行设计，比使用 HDL 更快、更容易。
• 代码重用： C/C++ 代码可以在不同的平台上重用，包括软件和硬件。
• 快速迭代： HLS 允许快速探索不同的设计架构和优化策略。
• 可维护性： 高级代码比 HDL 更易于理解和维护。
• 性能优化： HLS 可以自动执行许多优化，例如流水线化和循环展开，以提高性能。

2. 安装和设置 Vivado HLS

Vivado HLS 通常作为 Vivado Design Suite 的一部分安装。安装完成后，您可以通过启动 Vivado HLS 或在 Vivado Design Suite 中打开 HLS 项目来访问它。

3. 一个简单的例子：向量加法

为了演示 Vivado HLS 的基本流程，我们将使用一个简单的向量加法例子。

“`c++

include

void vector_add(hls::stream &in1, hls::stream &in2, hls::stream &out, int size) {

pragma HLS INTERFACE axis port=in1

pragma HLS INTERFACE axis port=in2

pragma HLS INTERFACE axis port=out

pragma HLS INTERFACE s_axilite port=size bundle=control

pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return bundle=control

for (int i = 0; i < size; i++) {

pragma HLS PIPELINE II=1

    int a = in1.read();
    int b = in2.read();
    int c = a + b;
    out.write(c);
}

}
“`

这段代码实现了两个向量逐元素相加的功能。hls::stream 用于表示数据流，#pragma HLS INTERFACE 用于指定接口类型。axis 接口用于高速数据传输，s_axilite 接口用于控制和状态信号。#pragma HLS PIPELINE II=1 指令将循环流水线化，使其能够在每个时钟周期处理一个元素。

4. 创建 Vivado HLS 项目

1. 打开 Vivado HLS 并创建一个新项目。
2. 添加上面提供的 C++ 代码作为源文件。
3. 设置顶层函数为 vector_add。
4. 添加测试平台文件 (testbench) 用于验证设计的功能。一个简单的测试平台如下所示：

“`c++

include

include

include “vector_add.h”

int main() {
hls::stream in1, in2, out;
int size = 10;

for (int i = 0; i < size; i++) {
    in1.write(i);
    in2.write(i * 2);
}

vector_add(in1, in2, out, size);

for (int i = 0; i < size; i++) {
    int result = out.read();
    std::cout << "Result[" << i << "] = " << result << std::endl;
    if (result != i * 3) {
        std::cout << "Error: Result mismatch" << std::endl;
        return 1;
    }
}

std::cout << "Test passed!" << std::endl;
return 0;

}
“`

5. 综合和仿真

1. 点击 “C Synthesis” 按钮进行 C 综合。Vivado HLS 将生成 RTL 代码和性能报告。
2. 点击 “C/RTL Cosimulation” 按钮进行 C/RTL 协同仿真。这将使用生成的 RTL 代码进行仿真，并与 C 测试平台的结果进行比较，以验证设计的正确性。

6. 性能分析和优化

Vivado HLS 提供了各种性能分析工具，可以帮助您识别设计的瓶颈并进行优化。您可以查看生成的报告，了解设计的延迟、吞吐量和资源利用率。

一些常见的优化技术包括：

• 流水线化: 使用 #pragma HLS PIPELINE 指令将循环或函数流水线化，以提高吞吐量。
• 循环展开: 使用 #pragma HLS UNROLL 指令将循环展开，以减少循环开销。
• 数组分割: 使用 #pragma HLS ARRAY_PARTITION 指令将数组分割成多个较小的数组，以提高内存访问效率。

7. 导出 RTL 代码

完成综合和优化后，您可以将生成的 RTL 代码导出到 Vivado Design Suite 中，用于 FPGA 的实现和调试。

8. 更深入的学习

本教程只介绍了 Vivado HLS 的基本使用方法。要更深入地了解 Vivado HLS，您可以参考 Xilinx 提供的官方文档和教程，以及其他学习资源。一些重要的主题包括：

• 接口综合: 深入理解 #pragma HLS INTERFACE 指令的不同选项，以及如何选择合适的接口类型。
• 数据类型优化: 使用 ap_fixed 和 ap_int 等数据类型来优化定点运算。
• 高级优化技术: 学习更高级的优化技术，例如数据流优化和循环重构。

总结:

Vivado HLS 提供了一种高效的硬件设计方法，它允许开发者使用高级语言进行设计，并自动生成优化的 RTL 代码。通过学习本教程，您应该能够掌握 Vivado HLS 的基本流程，并开始使用它来设计自己的硬件加速器。 随着您对 Vivado HLS 的深入学习和实践，您将能够更好地利用其强大的功能，并开发出更高效的硬件设计。 记住，实践是掌握 HLS 的关键，不断尝试不同的设计和优化策略，才能真正发挥 HLS 的优势。