Xilinx HLS基础一——HLS概念以和接口管理

本期主题：
HLS的基础介绍

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1.HLS是什么

• Vitis HLS （High Level Synthesis）是一种高层次综合工具，支持将 C、C 和 OpenCL 函数硬连线到器件逻辑互连结构和 RAM/DSP 块上。(即可以用这些方式来设计IP)；
• Vitis HLS 可在Vitis 应用加速开发流程中实现硬件内核，并使用 C/C 语言代码在 Vivado® Design Suite 中为赛灵思
  器件设计开发 RTL IP；
• 使用这种方式有很多现成的库，开发效率比RTL更高；

2.HLS开发流程

总体可以将HLS开发流程概括为4个步骤：

1. C/C 仿真： 添加一个顶层函数，这个函数将来就会映射成RTL电路，之后用一个C testbench对这个函数功能进行验证，在算法层面，检验我们的函数是否能够正常工作；
2. C综合： 综合实际是把C/C 源码综合成RTL实现，产生对应的电路，综合阶段会对各种接口的约束（Directive）十分关心，不同的约束会导致在生成电路时的不同实现；
3. C/RTL协同仿真： 目的是为了确认C的逻辑和RTL的逻辑是否一致，所以这一步会将RTL仿真的生成结果跟第一步的C仿真结果进行对比；
4. 导出IP： 最后一步就是export导出IP了

3.HLS接口管理

HLS设计的顶层函数的所有实参都需要综合到端口和接口内，在 RTL 设计中，同样这些输入和输出操作必须通过设计接口中的端口来执行，并且通常使用特定 I/O（输入/输出）协议来进行操作。
对顶层函数进行综合时，函数的实参（或参数）将综合到RTL端口中，此流程称为接口综合（interface synthesis）。

看一个简单的例子：

#include "sum_io.h"
dout_t sum_io(din_t in1, din_t in2, dio_t *sum) {
	dout_t temp;
	*sum = in1   in2   *sum;
	temp = in1   in2;
	return temp
}

以上示例包括：

• 2个输入：in1、in2，这两个输入是按值传递（pass-by-value）
• 可以进行读取和写入的指针 sum
• 返回temp
  经过默认接口综合，综合到RTL中，得到结果：
  

其中 HLS 会在 RTL 设计上创建 3 种类型的端口：

• 时钟和复位端口（clock and reset interface）这种我们一般是改不了，暂时先不用关心；
• 块级接口协议（block level interface）： ap_start、ap_done、ap_ready、ap_idle；
• 端口级接口协议（port level interface）：针对顶层函数和返回值的每个实参而创建的，包括：in1、in2、sum_i、sum_o、sum_o_ap_vld、ap_return；

1.块级I/O协议

Vivado HLS 使用接口类型 ap_ctrl_none、ap_ctrl_hs 和 ap_ctrl_chain 来指定是否使用块级握手信号实现
RTL。
块级握手信号的作用：

• 表明设计何时开始执行操作；
• 表明设计操作何时终止；
• 表明设计何时处于空闲状态，并且何时准备好处理新输入；

其中块级I/O协议有 ap_start、ap_ready、ap_idle、ap_done 端口，这些端口的作用如下：

• ap_start：用于控制块开始处理数据的时间；
• ap_ready：用于指示是否已经准备好开始接受输入；
• ap_idle：用于指示设计是否是处于空闲状态；
• ap_done：是否已完成操作；

以 ap_ctrl_hs的接口类型为例，来讲解：

复位后，该IP将会执行以下操作逻辑：

1. 首先会等待 ap_start 信号变为高，然后才开始操作；
2. 当 ap_start 变为高时，ap_idle 立即变为低，表明设计此时不再处于空闲状态；
3. ap_start 信号保持高电平状态，直至 ap_ready变为高，当ap_ready达到高电平后：如果 ap_start为高，则开始下一次的输入传输，如果ap_start为低，则完成当前的传输，然后停止操作；
4. 读取输入端口上的数据；
5. 将数据写出到输出端口；
6. 当设计操作完成后，ap_done 输出会变为高电平；

2.端口级I/O协议

创建的端口I/O取决于顶层函数的参数类型以及默认值，端口级IO协议用于对进出块的数据进行排序。

根据前面的例子，得出一些结论：

1. 默认的输入情况下：如果是按值传递（pass-by-value）的实参和指针，都使用简单线性端口来实现，无关联的握手信号，例如前面例子中的in1和in2；
2. 默认的输出情况下：如果是用指针来实现的输出，需要指示输出数据何时有效，因此有一个关联的输出有效端口 （sum_o_ap_vld） ；
3. 同时支持读取和写入的实参：例如前面例子中的sum，就需要将其拆分成独立的输入端口和输出端口；
4. 如果函数具有返回值，实现输出端口ap_return来提供返回值；

端口级I/O协议包括了：

• AXI4接口
• 无I/O协议
• 有线握手
• 内存接口

这些内容较多，我们在下一篇blog中再讲；

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