一文詳解HLS從C/C++到VHDL的轉(zhuǎn)換

高層次綜合（High Level Synthesis， HLS）是Xilinx公司推出的最新一代的FPGA設(shè)計(jì)工具，它能讓用戶通過編寫C/C++等高級語言代碼實(shí)現(xiàn)RTL級的硬件功能。隨著這款工具的出現(xiàn)，軟硬之間的區(qū)別越來越模糊，即使你對于硬件完全不懂，你也能編寫出符合工程功能要求的RTL代碼?？吹紿LS工具具有如此神奇的功能，你是否想立即嘗試一下呢？

接下來我們將談?wù)凥LS相關(guān)的簡單操作以及C/C++到VHDL的一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

首先確保你已經(jīng)下好了vivado相關(guān)套件，并且HLS的license（官網(wǎng)有試用的，但只能用一個(gè)月）已經(jīng)下到，然后打開桌面上，就可以按照一般的軟件建工程一樣，這里我們寫了一個(gè)很簡單的函數(shù)int andfunction（int array［2］，int array1［2］）;這里我們注意到函數(shù)返回值是整形，同時(shí)兩個(gè)形參是都是數(shù)組，這個(gè)函數(shù)代碼如下：

int andfunction（int array［2］，int array1［2］）

{

int i，sum;

sum=0;

for（i=0;i《2;i++）

{

array［i］=i*2;

array1［i］=array［i］+i;

sum+=array1［i］;

}

return sum;

}

寫好了這個(gè)函數(shù)后，那么我們不妨看看綜合后的VHDL是怎樣的。點(diǎn)擊綠色三角按鈕后生成硬件描述語言，solution1-》syn-》vhdl里可以看到生成的VHDL，代碼如下：

-- ==============================================================

-- RTL generated by Vivado（TM） HLS - High-Level Synthesis from C， C++ and SystemC

-- Version： 2012.4

-- Copyright （C） 2012 Xilinx Inc. All rights reserved.

--

-- ===========================================================

library IEEE;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.numeric_std.all;

entity andfunction is

port （

ap_clk ： IN STD_LOGIC;

ap_rst ： IN STD_LOGIC;

ap_start ： IN STD_LOGIC;

ap_done ： OUT STD_LOGIC;

ap_idle ： OUT STD_LOGIC;

ap_ready ： OUT STD_LOGIC;

array_r_address0 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0）;

array_r_ce0 ： OUT STD_LOGIC;

array_r_we0 ： OUT STD_LOGIC;

array_r_d0 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （31 downto 0）;

array1_address0 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0）;

array1_ce0 ： OUT STD_LOGIC;

array1_we0 ： OUT STD_LOGIC;

array1_d0 ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （31 downto 0）;

ap_return ： OUT STD_LOGIC_VECTOR （31 downto 0） ）;

end;

architecture behav of andfunction is

attribute CORE_GENERATION_INFO ： STRING;

attribute CORE_GENERATION_INFO of behav ： architecture is

“andfunction，hls_ip_2012_4，{HLS_INPUT_TYPE=c，HLS_INPUT_FLOAT=0，HLS_INPUT_FIXED=0，HLS_INPUT_PART=xc5vlx110tff1136-1，HLS_INPUT_CLOCK=10.000000，HLS_INPUT_ARCH=others，HLS_SYN_CLOCK=3.090000，HLS_SYN_LAT=3，HLS_SYN_TPT=none，HLS_SYN_MEM=0，HLS_SYN_DSP=0，HLS_SYN_FF=3，HLS_SYN_LUT=8}”;

constant ap_const_logic_1 ： STD_LOGIC ：= ‘1’;

constant ap_const_logic_0 ： STD_LOGIC ：= ‘0’;

constant ap_ST_st1_fsm_0 ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0） ：= “0”;

constant ap_ST_st2_fsm_1 ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0） ：= “1”;

constant ap_const_lv2_0 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0） ：= “00”;

constant ap_const_lv1_0 ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0） ：= “0”;

constant ap_const_lv2_2 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0） ：= “10”;

constant ap_const_lv2_1 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0） ：= “01”;

constant ap_const_lv32_3 ： STD_LOGIC_VECTOR （31 downto 0） ：= “00000000000000000000000000000011”;

signal ap_CS_fsm ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0） ：= “0”;

signal i_1_fu_66_p2 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0）;

signal i_reg_42 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0）;

signal exitcond1_fu_60_p2 ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0）;

signal i_cast_fu_54_p1 ： STD_LOGIC_VECTOR （31 downto 0）;

signal tmp_fu_72_p2 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0）;

signal tmp_1_fu_83_p2 ： STD_LOGIC_VECTOR （1 downto 0）;

signal ap_NS_fsm ： STD_LOGIC_VECTOR （0 downto 0）;

begin

-- the current state （ap_CS_fsm） of the state machine. --

ap_CS_fsm_assign_proc ： process（ap_clk）

begin

if （ap_clk‘event and ap_clk = ’1‘） then

if （ap_rst = ’1‘） then

ap_CS_fsm 《= ap_ST_st1_fsm_0;

else

ap_CS_fsm 《= ap_NS_fsm;

end if;

end if;

end process;

-- ap_reg assign process. --

ap_reg_proc ： process（ap_clk）

begin

if （ap_clk’event and ap_clk = ‘1’） then

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0））） then

i_reg_42 《= i_1_fu_66_p2;

elsif （（（ap_ST_st1_fsm_0 = ap_CS_fsm） and not（（ap_start = ap_const_logic_0）））） then

i_reg_42 《= ap_const_lv2_0;

end if;

end if;

end process;

-- the next state （ap_NS_fsm） of the state machine. --

ap_NS_fsm_assign_proc ： process（ap_start， ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and not（（exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

ap_NS_fsm 《= ap_ST_st1_fsm_0;

elsif （（（（ap_ST_st1_fsm_0 = ap_CS_fsm） and not（（ap_start = ap_const_logic_0））） or （（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

ap_NS_fsm 《= ap_ST_st2_fsm_1;

else

ap_NS_fsm 《= ap_CS_fsm;

end if;

end process;

-- ap_done assign process. --

ap_done_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and not（（exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

ap_done 《= ap_const_logic_1;

else

ap_done 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

-- ap_idle assign process. --

ap_idle_assign_proc ： process（ap_start， ap_CS_fsm）

begin

if （（not（（ap_const_logic_1 = ap_start）） and （ap_ST_st1_fsm_0 = ap_CS_fsm））） then

ap_idle 《= ap_const_logic_1;

else

ap_idle 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

-- ap_ready assign process. --

ap_ready_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and not（（exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

ap_ready 《= ap_const_logic_1;

else

ap_ready 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

ap_return 《= ap_const_lv32_3;

array1_address0 《= i_cast_fu_54_p1（1 - 1 downto 0）;

-- array1_ce0 assign process. --

array1_ce0_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0））） then

array1_ce0 《= ap_const_logic_1;

else

array1_ce0 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

array1_d0 《= std_logic_vector（resize（unsigned（tmp_1_fu_83_p2），32））;

-- array1_we0 assign process. --

array1_we0_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

array1_we0 《= ap_const_logic_1;

else

array1_we0 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

array_r_address0 《= i_cast_fu_54_p1（1 - 1 downto 0）;

-- array_r_ce0 assign process. --

array_r_ce0_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0））） then

array_r_ce0 《= ap_const_logic_1;

else

array_r_ce0 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

array_r_d0 《= std_logic_vector（resize（unsigned（tmp_fu_72_p2），32））;

-- array_r_we0 assign process. --

array_r_we0_assign_proc ： process（ap_CS_fsm， exitcond1_fu_60_p2）

begin

if （（（（ap_ST_st2_fsm_1 = ap_CS_fsm） and （exitcond1_fu_60_p2 = ap_const_lv1_0）））） then

array_r_we0 《= ap_const_logic_1;

else

array_r_we0 《= ap_const_logic_0;

end if;

end process;

exitcond1_fu_60_p2 《= “1” when （i_reg_42 = ap_const_lv2_2） else “0”;

i_1_fu_66_p2 《= std_logic_vector（unsigned（i_reg_42） + unsigned（ap_const_lv2_1））;

i_cast_fu_54_p1 《= std_logic_vector（resize（unsigned（i_reg_42），32））;

tmp_1_fu_83_p2 《= std_logic_vector（unsigned（tmp_fu_72_p2） + unsigned（i_reg_42））;

tmp_fu_72_p2 《= std_logic_vector（shift_left（unsigned（i_reg_42），to_integer（unsigned（‘0’ & ap_const_lv2_1（2-1 downto 0）））））;

end behav;

看到這么長一大串代碼后，你或許會說看起來太復(fù)雜來人，還不如自己寫；一兩個(gè)簡單的可以自己寫，成千上萬個(gè)呢？這里我們不去關(guān)注architecture里面具體的實(shí)現(xiàn)過程（這里面包含很多優(yōu)化），這里我們僅僅討論從C/C++到VHDL的entity的關(guān)系。

看到VHDL后，你也許第一眼就看到了VHDL中的entity了，但是你不一定理解其管腳到底指代什么，下面給出一張int andfunction（int array［2］，int array1［2］）這個(gè)函數(shù)的硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件引腳的具體含義是（這部分是參考的）：

ap_clk：設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號

ap_rst：設(shè)計(jì)的復(fù)位信號

ap_start：開始計(jì)算的開始信號

ap_done：計(jì)算結(jié)束和輸出就緒的完成信號

ap_idle：表示實(shí)體（設(shè)計(jì)）空閑的空閑信號

ap_ready：表示設(shè)計(jì)為新輸入數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備，與ap_idle 配合使用

ap_return：設(shè)計(jì)的返回值

name_address：存儲器的讀地址 （name指代array或array1，因?yàn)樗鼈兌际菙?shù)組，在硬件中綜合成了寄存器）

name_ce0：存儲器的芯片使能

name_we0：存儲器的寫使能

name_do0：存儲器的寫數(shù)據(jù)

ap_return： 函數(shù)返回值端口

分析上面的硬件管腳，其中ap_clk、ap_rst、ap_start、ap_done、ap_idle、ap_ready為大多數(shù)綜合后硬件默認(rèn)必有的，因?yàn)檫@些引腳便于處理器對其進(jìn)行控制；name_address0、name_ce0、name_we0、name_do0這些引腳是為了獲取所使用到寄存器的狀態(tài)，在這里我們應(yīng)當(dāng)注意：數(shù)組開辟的空間盡量不要大，過大容易造成硬件資源不足，無法開辟滿足要求的寄存器。

今天就對HLS從C/C++到VHDL的轉(zhuǎn)換大致說到這里，由于剛接觸這一塊，難免有所紕漏，歡迎大家指出！