一種在HLS中插入HDL代碼的方式

很多人都比較反感用C/C++開發(fā)（HLS）FPGA，大家第一拒絕的理由就是耗費資源太多。但是HLS也有自己的優(yōu)點，除了快速構建算法外，還有一個就是接口的生成，尤其對于AXI類接口，按照標準語法就可以很方便地生成相關接口。

那么有沒有能利用HLS的優(yōu)點，又囊括HDL的優(yōu)點的方法呢？今天就來介紹一種在HLS中插入HDL代碼的方式，結合兩者的優(yōu)勢為FPGA開發(fā)打造一把“利劍”。

說明

接下來，將介紹如何創(chuàng)建 Vitis-HLS 項目并將其與自定義 Verilog 模塊集成一起。

將插入兩個黑盒函數(shù) - 第一個在流水線區(qū)域（線路接口，ap_none），第二個在數(shù)據(jù)流區(qū)域（FIFO 接口，ap_ctrl_chain）。

步驟

1. 創(chuàng)建C/C++源文件（基于C的HLS模型+Testbench）

創(chuàng)建模塊的 C/C++ 模型，其中包括函數(shù)源代碼（模塊預期行為）和測試平臺（io 刺激和結果檢查）。

根據(jù)ug1399-vitis-hls rtl黑盒，rtl黑盒受到幾個因素的限制：

應該是Verilog（.v）代碼。

必須具有唯一的時鐘信號和唯一的高電平有效復位信號。

必須有一個 CE 信號，用于啟用或停止 RTL IP。

可以使用 ap_ctrl_chain 或 ap_ctrl_none 塊級控制協(xié)議。

僅支持 C++。

無法連接到頂層接口 I/O 信號。

不能直接作為被測設計（DUT）。

不支持結構或類類型接口。

main.cpp ——C/C++ 測試臺。

#include"add.hpp"
intmain(void){
staticuint32_ta[1024];
staticuint32_tb[1024];
staticuint32_tc[1024];
staticuint32_tc_stream[1024];
for(uint32_ti=0;i

	

	add.hpp——函數(shù)聲明。

	
#ifndefADD_HPP
#defineADD_HPP
#include
#include
voidadd(uint32_ta,uint32_tb,uint32_t&c);
voidadd_stream(
hls::stream&a,
hls::stream&b,
hls::stream&c
);
voidscalar_to_stream(uint32_ta,hls::stream&a_stream);
voidstream_to_scalar(hls::stream&a_stream,uint32_t&a);
voidwrap(uint32_ta,uint32_tb,uint32_t&c);
voidtop_module(uint32_t*a,uint32_t*b,uint32_t*c,uint32_t*c_stream);
#endif


	

	add.cpp——函數(shù)源代碼。

	
#include"add.hpp"
voidadd(uint32_ta,uint32_tb,uint32_t&c){
c=a+b;
};
voidadd_stream(
hls::stream&a,
hls::stream&b,
hls::stream&c
){
c.write(a.read()+b.read());
};
voidscalar_to_stream(uint32_ta,hls::stream&a_stream){
a_stream.write(a);
};
voidstream_to_scalar(hls::stream&a_stream,uint32_t&a){
a=a_stream.read();
};
voidwrap(uint32_ta,uint32_tb,uint32_t&c){
#pragmaHLSDATAFLOW
hls::streamc_s;
hls::streama_s;
hls::streamb_s;
scalar_to_stream(a,a_s);
scalar_to_stream(b,b_s);
add_stream(a_s,b_s,c_s);
stream_to_scalar(c_s,c);
};
voidtop_module(uint32_t*a,uint32_t*b,uint32_t*c,uint32_t*c_stream){
#pragmaHLSINTERFACEmode=m_axiport=adepth=1024bundle=first
#pragmaHLSINTERFACEmode=m_axiport=bdepth=1024bundle=second
#pragmaHLSINTERFACEmode=m_axiport=cdepth=1024bundle=first
#pragmaHLSINTERFACEmode=m_axiport=c_streamdepth=1024bundle=second
#pragmaHLSINTERFACEmode=s_axiliteport=return
main_loop_pipeline:for(uint32_ti=0;i

	

	2. 為 Vitis HLS創(chuàng)建配置文件

	Vitis HLS需要配置文件來構建項目?；九渲梦募?/p>

	Part——FPGA 部件編號。

	syn.top——頂級函數(shù)名稱。

	tb.file——測試臺文件。

	syn.file — HLS 中使用的文件。

	在此示例中，cfg 文件的最小版本如下所示：

	
part=xc7z007sclg225-1
[hls]
syn.top=top_module
tb.file=main.cpp
syn.file=add.cpp
syn.file=add.hpp
package.output.format=ip_catalog
flow_target=vivado


	

	3. 創(chuàng)建并構建最小項目

	啟動 Vitis，選擇工作區(qū)并點擊“創(chuàng)建 HLS 組件”。

	

	更改組件位置和名稱，單擊下一步。

	

	選擇從現(xiàn)有配置文件創(chuàng)建，點擊下一步。

	

	項目結構如下所示：

	

	無需添加額外的標志，只需仔細檢查頂部函數(shù)是否是“top_module”，然后單擊下一步。

	

	選擇芯片（默認部分應該是cfg文件中寫的），單擊下一步

	

	確認flow_target和package.output.format，點擊next。

	

	檢查摘要并單擊完成。

	

	最后運行所有步驟以確保所有配置均已配置并正常運行。

	

	4.創(chuàng)建blackbox函數(shù)json

	在此步驟中，我們將用 blackbox verilog 代碼替換我們的添加函數(shù)。在pipeline區(qū)域：

	

	右鍵單擊 hls_component 并單擊“創(chuàng)建 RTL blackbox”，將生成 JSON 文件，描述 verilog 模塊與其 C 函數(shù)之間的連接。

	

	選擇包含 C 模塊描述的文件。

	

	選擇端口方向并填寫RTL組配置（verilog模塊中的端口名稱）。

	

	選擇verilog文件，如有必要再填寫其他框，單擊下一步。

	

	刪除 ap_ctrl_chain_protocol 字符串，保留空白。單擊完成。

	

	對 add_stream 函數(shù)重復所有這些步驟。

	輸入先進先出：

	

	輸出先進先出：

	

	概括：

	

	不要修改 ap_ctrl_chain 信號，因為該模塊將使用 ap_ctrl_chain 協(xié)議。

	

	此后，hls_component 文件夾中應該會生成兩個 json 文件。

	add.json

	
{
"c_files":[
{
"c_file":"add.cpp",
"cflag":""
}
],
"c_function_name":"add",
"rtl_files":[
"add.v"
],
"c_parameters":[
{
"c_name":"a",
"c_port_direction":"in",
"rtl_ports":{
"data_read_in":"a"
}
},
{
"c_name":"b",
"c_port_direction":"in",
"rtl_ports":{
"data_read_in":"b"
}
},
{
"c_name":"c",
"c_port_direction":"out",
"rtl_ports":{
"data_write_out":"c",
"data_write_valid":"c_vld"
}
}
],
"rtl_top_module_name":"add",
"rtl_performance":{
"II":"0",
"latency":"0"
},
"rtl_resource_usage":{
"BRAM":"0",
"DSP":"0",
"FF":"0",
"LUT":"0",
"URAM":"0"
},
"rtl_common_signal":{
"module_clock":"ap_clk",
"module_reset":"ap_rst",
"module_clock_enable":"ap_ce",
"ap_ctrl_chain_protocol_idle":"",
"ap_ctrl_chain_protocol_start":"",
"ap_ctrl_chain_protocol_ready":"",
"ap_ctrl_chain_protocol_done":"",
"ap_ctrl_chain_protocol_continue":""
}
}


	

	add_stream.json

	
{
"c_files":[
{
"c_file":"add.cpp",
"cflag":""
}
],
"c_function_name":"add_stream",
"rtl_files":[
"add_stream.v"
],
"c_parameters":[
{
"c_name":"a",
"c_port_direction":"in",
"rtl_ports":{
"FIFO_empty_flag":"a_empty_flag",
"FIFO_read_enable":"a_read_enable",
"FIFO_data_read_in":"a"
}
},
{
"c_name":"b",
"c_port_direction":"in",
"rtl_ports":{
"FIFO_empty_flag":"b_empty_flag",
"FIFO_read_enable":"b_read_enable",
"FIFO_data_read_in":"b"
}
},
{
"c_name":"c",
"c_port_direction":"out",
"rtl_ports":{
"FIFO_full_flag":"c_full_flag",
"FIFO_write_enable":"c_write_enable",
"FIFO_data_write_out":"c"
}
}
],
"rtl_top_module_name":"add_stream",
"rtl_performance":{
"II":"0",
"latency":"0"
},
"rtl_resource_usage":{
"BRAM":"0",
"DSP":"0",
"FF":"0",
"LUT":"0",
"URAM":"0"
},
"rtl_common_signal":{
"module_clock":"ap_clk",
"module_reset":"ap_rst",
"module_clock_enable":"ap_ce",
"ap_ctrl_chain_protocol_idle":"ap_idle",
"ap_ctrl_chain_protocol_start":"ap_start",
"ap_ctrl_chain_protocol_ready":"ap_ready",
"ap_ctrl_chain_protocol_done":"ap_done",
"ap_ctrl_chain_protocol_continue":"ap_continue"
}
}


	

	主文件夾應與此類似：

	

	hls_config.cfg 文件應該添加兩新行( syn.blackbox.file)

	
part=xc7z007sclg225-1
[hls]
flow_target=vivado
csim.code_analyzer=0
syn.top=top_module
syn.blackbox.file=add.json
syn.blackbox.file=add_stream.json
tb.file=main.cpp
syn.file=add.cpp
syn.file=add.hpp


	

	5.創(chuàng)建Verilog黑盒函數(shù)

	函數(shù)“add”必須具有ap_none接口，并且 ap_none 作為模塊接口。（有關模塊接口的更多信息，請查看https://docs.amd.com/r/en-US/ug1399-vitis-hls/JSON-File-for-RTL-Blackbox 。）

	

	根據(jù)UG1399，端口a和b是32位寬度的輸入端口，輸出c端口也是32位寬度，但帶有額外的有效信號，我們稱之為c_vld。模塊還需要ap_clk，ap_ce，ap_rst端口。

	Verilog 如下所示：

	add.v

	
`timescale1ns/1ps
moduleadd(
input[31:0]a,
input[31:0]b,
output[31:0]c,
outputc_vld,
inputap_ce,
inputap_rst,
inputap_clk
);
reg[31:0]c_d;
regc_vld_d;
assignc=c_d;
assignc_vld=c_vld_d;
always@(posedgeap_clk)begin
if(ap_rst==1'b1)begin
c_d<=?32'b0;
????????c_vld_d?<=?1'b0;
????end?else?begin
????????c_d?<=?(a?+?b)?&?{32{ap_ce}};
????????c_vld_d?<=?ap_ce;
????end
end
endmodule


	

	運行 C 綜合和 C/RTL 協(xié)同仿真。能夠在 HLS 模塊中看到打包的 add.v 文件。

	

	單擊 hls_config.cfg 文件，在 Vitis GUI 的幫助下將 cosim.trace_level 更改為全部并運行聯(lián)合仿真。

	

	單擊波形查看器。Vivado 會彈出 XSIM。

	

	將 grp_add_fu_134 信號添加到 wcfg

	

	函數(shù)行為很奇怪,接下來在 json 中更改黑盒函數(shù) II，看看它如何影響仿真。打開 add.json 并將 II 更改為 10。再次運行 C 綜合并重新運行 C/RTL 協(xié)同仿真。

	

	add.v 模塊是否良好且可以正常工作？其行為是否正確？模塊是否正常工作由哪些因素決定？“fixing”模塊對資源使用有何影響？

	那么 add_stream 呢？函數(shù)位于數(shù)據(jù)流區(qū)域，并且必須包含 fifo 端口和 ap_ctrl_chain 協(xié)議。

	add_stream.v

	
`timescale1ns/1ps
moduleadd_stream(
input[31:0]a,
inputa_empty_flag,
outputa_read_enable,
input[31:0]b,
inputb_empty_flag,
outputb_read_enable,
output[31:0]c,
inputc_full_flag,
outputc_write_enable,
outputap_idle,
inputap_start,
outputap_ready,
outputap_done,
inputap_continue,
inputap_ce,
inputap_rst,
inputap_clk
);
rega_read_enable_d;
regb_read_enable_d;
regc_write_enable_d;
reg[31:0]c_d;
assigna_read_enable=a_read_enable_d;
assignb_read_enable=b_read_enable_d;
assignc_write_enable=c_write_enable_d;
assignc=c_d;
assignap_idle=!ap_start;
assignap_ready=ap_start;
assignap_done=ap_start;
//Flagsarenegated...
assignflags_good=a_empty_flag&&b_empty_flag&&c_full_flag;
assignhs_good=ap_start&&ap_continue;
always@(posedgeap_clk)begin
if(ap_rst==1'b1)begin
a_read_enable_d<=?0;
????????????b_read_enable_d?<=?0;
????????????c_write_enable_d?<=?0;
????????????c_d?<=?0;
????end?else?if?(ap_ce?==?1'b1)?begin
????????????a_read_enable_d?<=?flags_good?&&?hs_good;
????????????b_read_enable_d?<=?flags_good?&&?hs_good;
????????????c_write_enable_d?<=?flags_good?&&?hs_good;
????????????c_d?<=?a?+?b;
????????end
????end
endmodule


	

	看起來放置在數(shù)據(jù)流區(qū)域的模塊工作正常：

	

	打開 add_stream.json 并將延遲更改為 10。再次運行 C 綜合并重新運行 C/RTL 協(xié)同仿真。這會影響仿真嗎？