設(shè)計人員使用賽靈思級高層次綜合工具，能以類似軟件的方式用高級編程結(jié)構(gòu)描述包處理系統(tǒng)，而使用RTL則難以實現(xiàn)。

不同層面的協(xié)議處理常見于各種新型通信系統(tǒng)，因為任何信息交流都需要使用某種通信協(xié)議。通信協(xié)議一般包含數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包由發(fā)送方創(chuàng)建，由接收方重新組合，這些操作都要遵循協(xié)議規(guī)范。這樣協(xié)議處理無處不在，需要FPGA設(shè)計人員特別關(guān)注。因此高效地實現(xiàn)協(xié)議處理功能對FPGA有非常重要的意義。

設(shè)計人員在視頻處理和信號處理領(lǐng)域運用高層次綜合（HLS）功能已取得巨大成功。使用HLS，用戶可使用高級編程語言來表達(dá)硬件功能。為測試這種技術(shù)用于包處理的效果，我們用賽靈思Vivado HLS工具構(gòu)建了一個完整的原型系統(tǒng)，其結(jié)果確實令人振奮。Vivado HLS不僅讓我們將開發(fā)時間縮減了一半，而且還減少了資源使用并降低了時延。我們的原型系統(tǒng)是一個簡單的ARP/ICMP服務(wù)器，能對ping和地址解析協(xié)議（ARP）請求做出響應(yīng)并解析IP地址查詢。
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下面我們深入了解一下Vivado HLS是如何幫助設(shè)計人員解決在協(xié)議處理過程中遇到的主要問題。為了解這項技術(shù)的優(yōu)勢，應(yīng)首先詳細(xì)了解Vivado HLS，掌握其工作方式。

提高抽象層次

Vivado HLS能提高系統(tǒng)設(shè)計的抽象層次，為設(shè)計人員帶來切實的幫助。Vivado HLS通過下面兩種方法提高抽象層次：
? 使用C/C++作為編程語言，充分利用該語言中提供的高級結(jié)構(gòu)；
? 提供更多數(shù)據(jù)原語，便于設(shè)計人員使用基礎(chǔ)硬件構(gòu)建塊（位向量、隊列等）。

與使用RTL相比，這兩大特性有助于設(shè)計人員使用Vivado HLS更輕松地解決常見的協(xié)議系統(tǒng)設(shè)計難題。最終簡化系統(tǒng)匯編，簡化FIFO和存儲器訪問，實現(xiàn)控制流程的抽象。HLS的另一大優(yōu)勢是便于架構(gòu)研究和仿真。

Vivado HLS把C++函數(shù)視為模塊，函數(shù)定義等效于模塊的RTL描述，函數(shù)調(diào)用等效于模塊實例化。這種方法能減少需要用戶編寫的代碼量，進(jìn)而顯著簡化用于系統(tǒng)描述的結(jié)構(gòu)代碼，最終加速系統(tǒng)匯編進(jìn)程。

在Vivado HLS中，存儲器或FIFO可通過兩種方法訪問。一種是通過合適的對象（比如對流對象的讀寫）。另一種是直接訪問綜合工具隨后將實現(xiàn)為Block RAM或分布式RAM的標(biāo)準(zhǔn)C陣列。綜合工具會根據(jù)需要處理額外的信令、同步或?qū)ぶ穯栴}。

從控制流的角度，Vivado HLS從簡單的FIFO接口到完整的AXI4-Stream均可提供整套流控制感知接口。使用這些接口，設(shè)計人員可直接訪問數(shù)據(jù)，無需檢查背壓或數(shù)據(jù)可用性。Vivado HLS會適當(dāng)?shù)卣{(diào)度執(zhí)行，應(yīng)對一切緊急情況，同時確保正確完成執(zhí)行。

設(shè)計人員還會感激Vivado HLS提供的另一項功能，即簡便的架構(gòu)研究功能。用戶只需在代碼中插入程序指令（如使用GUI或批處理模式時的Tcl命令），就可以把設(shè)計所需特性傳遞給綜合工具。這樣用戶可以在不修改設(shè)計代碼本身的情況下研究大量備選架構(gòu)方案。研究的范圍可以是模塊流水線化等根本性問題，也可以是FIFO隊列深度等較常見的問題。

最后，C和RTL仿真是Vivado HLS另一個大放異彩的地方。設(shè)計一般采用兩步流程驗證：第一步是C語言仿真。這個步驟中C/C++的編譯和執(zhí)行與常見的C/C++程序相同；第二步是C/RTL協(xié)仿真。在這步驟中，Vivado HLS會根據(jù)C/C++測試平臺自動生成RTL測試平臺，然后設(shè)置并執(zhí)行RTL仿真，檢查實現(xiàn)方案吧的正確性。

如能充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，這將對于用戶的系統(tǒng)設(shè)計大有裨益。這不僅體現(xiàn)在開發(fā)時間和生產(chǎn)力上，還由于Vivado HLS代碼更加緊湊的特點，體現(xiàn)在代碼可維護(hù)性和可讀性上。此外通過高層次綜合，用戶仍能有效控制架構(gòu)及其特性。正確理解和使用Vivado HLS程序?qū)崿F(xiàn)這一控制起著根本作用。

高層次綜合在賽靈思提供的包處理解決方案的層級結(jié)構(gòu)中起著承上啟下、承前啟后的作用。而Vivado SDNet（見《賽靈思雜志》第87期的封面專題報道）和RTL則對其起到補充作用。Vivado SDnet使用特定領(lǐng)域語言，提供一種大為簡便但相當(dāng)受限的協(xié)議處理系統(tǒng)表達(dá)方法。RTL則可以用于Vivado HLS無法表達(dá)的大量系統(tǒng)的實現(xiàn)工作（例如使用DCM或差分信號并需要詳細(xì)時鐘管理的各類系統(tǒng)）。雖然有種種局限，Vivado HLS仍然是在保證結(jié)果質(zhì)量或設(shè)計人員靈活性的前提下設(shè)計大部分協(xié)議處理解決方案的有效途徑。

設(shè)置簡單系統(tǒng)

開始新設(shè)計時需要完成的最基本工作首先是確定設(shè)計的結(jié)構(gòu)，然后將其實現(xiàn)在Vivado HLS中。Vivado HLS中的基本系統(tǒng)構(gòu)建塊是C/C++函數(shù)。構(gòu)建一個由模塊和子模塊組成的系統(tǒng)意味著需要用一個頂層函數(shù)來調(diào)用底層函數(shù)。圖1所示的是一個極為簡單的三級流水線，我們以此為例來介紹Vivado HLS中系統(tǒng)構(gòu)建的基本思路。一般采用流水線化設(shè)計執(zhí)行協(xié)議處理，由每一級負(fù)責(zé)解決處理的特定部分。

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構(gòu)建一個由模塊和子模塊組成的系統(tǒng)意味著需要用一個頂層函數(shù)來調(diào)用底層函數(shù)。

例1：在Vivado HLS中創(chuàng)建簡單系統(tǒng)
1 void topLevelModule(stream&inData,
stream&outData) {
2 #pragma HLS dataflow interval=1
3
4 #pragma INTERFACE axis port=inData
5 #pragma INTERFACE axis port=outData
6
7 static stream> modOne2modTwo;
8 static stream> modTwo2modThree;
9
10 moduleOne(inData, modOne2modTwo);
11 moduleTwo(modOne2modTwo, modTwo2modThree);
12 moduleThree(modTwo2modThree, outData);
13 }

例1中的代碼用于創(chuàng)建頂層模塊函數(shù)，供調(diào)用所有其它子函數(shù)使用。頂層模塊函數(shù)使用兩個參數(shù)，均屬于“流”（stream）類（Vivado HLS庫中提供的模塊類之一）。流是一種HLS建模架構(gòu)，代表準(zhǔn)備以流方式交換的數(shù)據(jù)通過的接口。流可以實現(xiàn)為FIFO隊列或內(nèi)存，也可以是一種能夠配合任何C++架構(gòu)使用的模板類。在本例中，我們定義了一種稱為axiWord的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Struct），如例2所示。

例2：定義流接口使用的C++ 結(jié)構(gòu)
structaxiWord {
ap_uint<64> data;
ap_uint<8>strb;
ap_uint<1> last;
};

該struct用于定義AXI4-Stream接口的部分字段。Vivado HLS能自動支持此類接口，使用編譯指令（pragma）語句即可完成設(shè)定。編譯指令是對高層次綜合工具的指令，用于指導(dǎo)工具實現(xiàn)要求的結(jié)果。例1中第4行和第5行的編譯指令用于告知Vivado HLS這兩個指令（具體是頂層模塊的輸入和輸出端口）將使用AXI4-Stream接口。AXI4-Stream I/F包含兩個必備信號，分別是有效信號和就緒信號，但它們沒有包含在聲明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這是由于Vivado HLS AX4 I/F會在內(nèi)部處理這些信號，也就是說它們對用戶邏輯而言是透明的。如前文所述，在使用AXI4-Stream I/F時，從用戶處抽象流控制完全由Vivado HLS完成。

當(dāng)然未必一定使用AXI4-Stream接口。Vivado HLS提供有豐富的總線接口。這里選擇AXI4-Stream作為常見標(biāo)準(zhǔn)接口的示例，供用戶進(jìn)行包處理。

實現(xiàn)我們的設(shè)計的下一項工作是確保我們的三個模塊彼此互聯(lián)。這項工作也通過流完成，不過這次它們是位于頂層模塊的內(nèi)部。第7行和第8行用于聲明實現(xiàn)這一目標(biāo)的兩個流。這兩個流使用了另一種Vivado HLS結(jié)構(gòu)ap_uint。這是一種無符號一維位陣列，隨后將按此對其操作。同時這也是又一種模板類，因此必須設(shè)定這個陣列的寬度。在本例中使用64位，與頂層模塊輸入輸出I/F的數(shù)據(jù)成員寬帶匹配。還有一點需要詳細(xì)說明的是這些流全部聲明為靜態(tài)變量。靜態(tài)變量是指其值不隨函數(shù)調(diào)用變化的一種變量。由于在作為順序C/C++程序執(zhí)行時頂層模塊（以及全部的子模塊）每個時鐘周期會被調(diào)用一次，所以任何需要保持其值不隨時鐘周期變化的變量都需要聲明為靜態(tài)變量。

創(chuàng)建流水線設(shè)計

將要討論的最后也是最重要的一個是編譯指令。第2行中的數(shù)據(jù)流編譯指令指示Vivado HLS盡量以并行方式安排執(zhí)行該函數(shù)的所有子函數(shù)?！癷nternal”參數(shù)用于設(shè)置該模塊的初始化間隔（II）。初始化間隔（II）告知Vivado HLS該模塊必須具備的處理新輸入數(shù)據(jù)字的頻次，故決定了設(shè)計的吞吐量。不過這并不妨礙模塊內(nèi)部的流水線化和擁有>1的時延。當(dāng)II=2時，該模塊將用兩個周期完成數(shù)據(jù)字的處理，然后再讀入新的數(shù)據(jù)字。以這種方式Vivado HLS可以簡化模塊最終的RTL。也就是說，在一個典型的協(xié)議處理應(yīng)用中，設(shè)計必須具備每個時鐘周期處理一個數(shù)據(jù)字的能力，故從現(xiàn)在起我們令I(lǐng)I=1。

初始化間隔（II）告知Vivado HLS該模塊必須具備的處理新輸入數(shù)據(jù)字的頻次，故決定了設(shè)計的吞吐量。

最后要解決的問題是函數(shù)調(diào)用本身。在Vivado HLS中，這個過程對應(yīng)的是模塊的實例化。傳遞給每個模塊的參數(shù)實質(zhì)上定義了模塊的通信端口。在本例中，通過將輸入連接到第一個模塊，然后用 modOne2modTwo流把第一個模塊連接到第二個模塊，依次類推，將三個模塊鏈接起來。