如何在不改變RTL代碼的情況下，優(yōu)化FPGA HLS設(shè)計(jì)

用軟件從 C 轉(zhuǎn)化來的 RTL 代碼其實(shí)并不好理解。今天我們就來談?wù)?，如何在不改?RTL 代碼的情況下，提升設(shè)計(jì)性能。

本項(xiàng)目所需應(yīng)用與工具：賽靈思HLS、Plunify Cloud 以及 InTime。

前言
高層次的設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)以更簡(jiǎn)潔的方法捕捉，從而讓錯(cuò)誤更少，調(diào)試更輕松。然而，這種方法最受詬病的是對(duì)性能的犧牲。在復(fù)雜的 FPGA 設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)高性能，往往需要手動(dòng)優(yōu)化 RTL 代碼，這也意味著從 C 轉(zhuǎn)化得到 RTL 基本不可能。其實(shí)，使用 FPGA 工具設(shè)置來優(yōu)化設(shè)計(jì)可以最小限度地減少對(duì)性能的犧牲，這種方法是存在的。

高效地找到合適的FPGA工具設(shè)置
盡管工程師們知道 FPGA 工具的設(shè)置，但是這些設(shè)置往往并沒有充分利用。一般而言，工具設(shè)置只有在出現(xiàn)時(shí)序問題的時(shí)候才會(huì)派上用途。然而，對(duì)于已經(jīng)達(dá)到性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)來說，如果繼續(xù)調(diào)整工具設(shè)計(jì)，仍然有10%-50%的性能提升潛力。

真正的難點(diǎn)在于選擇正確的工具設(shè)置，畢竟各種 FPGA 工具一般都有有30-70個(gè)不同的布局布線設(shè)置，可選的設(shè)置組合實(shí)在是太多了。您可以寫腳本來運(yùn)行不同的推薦指令/策略。市面上也有工具，來自動(dòng)管理并運(yùn)行設(shè)計(jì)探索。

另一個(gè)難點(diǎn)就是不充裕的計(jì)算能力。典型的嵌入式應(yīng)用是在單臺(tái)電腦上設(shè)計(jì)的。運(yùn)行多個(gè)編譯需要更多的計(jì)算能力，這就要求更多的時(shí)間。如果您可以（使用云計(jì)算）并行運(yùn)行，周轉(zhuǎn)時(shí)間就會(huì)變短。

如何優(yōu)化高層次的設(shè)計(jì) - “Sobel濾鏡”項(xiàng)目
這是一個(gè)用于視屏處理的參考設(shè)計(jì)，來自賽靈思的官網(wǎng) https://china.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp890... 。該設(shè)計(jì)的功能是 Sobel 濾鏡，目標(biāo)器件是擁有雙核Dual ARM? Cortex?-A9MPCore 的 FPGA。

我們使用賽靈思 HLS 來打開這個(gè)設(shè)計(jì)。

圖一：參考設(shè)計(jì)– Sobel濾鏡

它的時(shí)鐘周期是5.00ns，也就是200MHz。從下圖的時(shí)序預(yù)估中可以看出，它離時(shí)序目標(biāo)還差506ps（181MH1），也就是比目標(biāo)速率還差10%。

圖二：當(dāng)前時(shí)序結(jié)果

導(dǎo)出成 RTL 項(xiàng)目
不需要改變 C++ 代碼，把設(shè)計(jì)輸出成一個(gè)RTL 的 Vivado 項(xiàng)目。在 “Solution”下面，選擇“Export RTL”。

圖三：從HLS輸出Vivado項(xiàng)目

它會(huì)在后臺(tái)執(zhí)行 Vivado，并生成一個(gè)項(xiàng)目文件（XPR）。它同時(shí)也會(huì)編譯設(shè)計(jì)，您應(yīng)該在控制臺(tái)（Console）看到真實(shí)的時(shí)序細(xì)節(jié)。一旦完成，您可以在 /solution/impl/verilog/ 文件夾下找到項(xiàng)目文件。

圖四：Vivado 項(xiàng)目文件

找到這個(gè) XPR 文件之后，您可以用 Vivado 打開它來驗(yàn)證。您將看到生成好的 RTL 源文件。

圖五：從 HLS 生成的 RTL

時(shí)序優(yōu)化
下一步，是使用 InTime 設(shè)計(jì)探索工具，當(dāng)然，您也可以自己寫腳本來嘗試 Vivado 工具中自帶的指令和策略。請(qǐng)申請(qǐng) InTime 的免費(fèi)試用在本地運(yùn)行，也可以注冊(cè)一個(gè) Plunify Cloud 云平臺(tái)的賬戶，試用所提供的免費(fèi)云幣來在云端運(yùn)行預(yù)置好的 FPGA 工具。

啟動(dòng) InTime 之后，打開項(xiàng)目文件。在選擇 Vivado 版本時(shí)，請(qǐng)使用“相同的”版本。例如，如果您使用2017.3 HLS，請(qǐng)選擇2017.3 Vivado。

選擇“Hot Start”配方（recipe）。此配方包含一系列更具以往其他設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)而推薦的策略。

圖六：選擇 "Hot Start" 配方

點(diǎn)擊“Start Recipe”來開始優(yōu)化。如果您在云端運(yùn)行，您應(yīng)該并行運(yùn)行多個(gè)編譯來減少周轉(zhuǎn)時(shí)間。

優(yōu)化過程和結(jié)果
第一輪結(jié)束之后 (“Hot Start”配方），最好的結(jié)果是“hotstart_1”策略。然而，它仍然距離目標(biāo)時(shí)序90ns。

我們?cè)凇癏otStart_1”的結(jié)果上使用了第二個(gè)配方，叫做“Extra Opt Exploration”。這一輪將集中優(yōu)化關(guān)鍵的路徑。這是一次迭代優(yōu)化，并且只要仍有提升，就不斷地重復(fù)自己。如果達(dá)到時(shí)序目標(biāo)或者不再提升的時(shí)候，它就會(huì)停止。

圖七：僅通過工具設(shè)置完成時(shí)序收斂

經(jīng)過兩輪優(yōu)化，總共15此編譯后，設(shè)計(jì)達(dá)到了目標(biāo)時(shí)序，200MHz。而這一切完全沒有修改 RTL 源代碼。

讓性能更進(jìn)一步
讓性能更進(jìn)一步需要各方面的優(yōu)化 – 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、代碼和工具。工具設(shè)置的探索可以克服高層次設(shè)計(jì)的性能犧牲，并且不會(huì)讓生產(chǎn)效率的好處減少。對(duì)于高層次設(shè)計(jì)的工程師來說，這是一種共贏。

編輯：hfy