RTL與HLS強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合打造FPGA新開(kāi)發(fā)之路

副標(biāo)題-FPGA高層次綜合HLS(一)-Vitis HLS介紹

Vitis HLS介紹及工作流程

高層次綜合（High-level Synthesis）簡(jiǎn)稱HLS，指的是將高層次語(yǔ)言描述的邏輯結(jié)構(gòu)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成低抽象級(jí)語(yǔ)言描述的電路模型的過(guò)程。

對(duì)于AMD Xilinx而言，Vivado 2019.1之前（包括），HLS工具叫Vivado HLS，之后為了統(tǒng)一將HLS集成到Vitis里了，集成之后增加了一些功能，同時(shí)將這部分開(kāi)源出來(lái)了。Vitis HLS是Vitis AI重要組成部分，所以我們將重點(diǎn)介紹Vitis HLS。

為了創(chuàng)建可編程邏輯內(nèi)核，Vitis V++ 編譯器能夠?qū)?OpenCL、C/C++ 和 RTL 編譯到AMD Xilinx對(duì)象 (.xo) 文件中，然后將它們鏈接到AMD Xilinx二進(jìn)制 (.xclbin) 中用于可編程邏輯。

與主機(jī)開(kāi)發(fā)流程（正常開(kāi)發(fā)流程）結(jié)合使用時(shí)，我們可以使用 Vitis IDE 對(duì)我們的應(yīng)用程序進(jìn)行自上而下的加速。

但是，查看 FPGA bit流創(chuàng)建流程，我們還可以使用 HLS 或 RTL 從下到上創(chuàng)建加速內(nèi)核。

這種自下而上的流程使我們能夠?qū)Ｗ⒂趶?fù)雜的內(nèi)核算法，驗(yàn)證其性能并確保可編程邏輯實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化途徑是最佳的。

這種方法還可以更好地與團(tuán)隊(duì)方法一起使用，并且可以創(chuàng)建可跨多個(gè)項(xiàng)目使用的加速內(nèi)核庫(kù)（IP）。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用于可編程邏輯實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化駐留在 .xo 文件中，無(wú)需在每次使用算法時(shí)重新進(jìn)行優(yōu)化。

Vivado HLS 正是為此流程而構(gòu)建，Vitis HLS包含在 Vitis 安裝的 bin 目錄中。

同時(shí)Xilinx GitHub （https://github.com/Xilinx/HLS-Tiny-Tutorials）上還有許多 Vitis HLS 教程項(xiàng)目。

這些教程涵蓋了開(kāi)始開(kāi)發(fā)有效內(nèi)核所需的一切，包括算法開(kāi)發(fā)、編碼風(fēng)格、接口和內(nèi)存架構(gòu)等方面。

如果我們使用的是 Windows，我們可以通過(guò)輸入以下命令從 Xilinx 軟件命令行工具調(diào)用 Vitis HLS：

vitis_hls

在 Linux 系統(tǒng)中，在運(yùn)行安裝目錄中的設(shè)置腳本settings64.sh后，我們可以在終端窗口中使用相同的命令。

Vitis HLS 加載和歡迎頁(yè)面。

我們可以通過(guò)從 GitHub 克隆或下載 ZIP 文件來(lái)使用這些示例。如果我們探索一個(gè)示例庫(kù)，我們將找到支持該示例的源代碼和 TCL 文件。

我們可以通過(guò)切換到該目錄并從 Linux 終端或 XSCT （windows）運(yùn)行這些示例：

vitis_hls?-f?run_hls.tcl

這將以命令行模式運(yùn)行該項(xiàng)目并綜合。

命令運(yùn)行完成后，將看到一個(gè)包含解決方案和項(xiàng)目文件的新目錄（Vitis HLS工程）。

要探索設(shè)計(jì)，我們可以使用已打開(kāi)的 Vitis GUI 導(dǎo)航到示例項(xiàng)目目錄。

打開(kāi) GUI 后，將看到一個(gè)基于 Eclipse 的工作區(qū)，它看起來(lái)類(lèi)似于 Vivado HLS，但存在細(xì)微差別。

在 GUI 中，我們可以瀏覽綜合報(bào)告、調(diào)試應(yīng)用程序并分析RTL的實(shí)現(xiàn)。

默認(rèn)情況下，實(shí)現(xiàn)過(guò)程將設(shè)置為生成基于 RTL 的解決方案，但如果我們希望使用自下而上的流程，并在 Vitis 中實(shí)現(xiàn)加速功能并生成 Xilinx 對(duì)象，我們應(yīng)該怎么做？

我們可以檢查解決方案設(shè)置下的選項(xiàng)- Vitis 自下而上設(shè)計(jì)。

當(dāng)我們接下來(lái)執(zhí)行綜合時(shí)，我們不僅會(huì)看到 Verilog 和 VHDL 實(shí)現(xiàn)，還會(huì)看到包含內(nèi)核描述的 XML 文件。

一旦我們對(duì)算法的性能感到滿意，我們就可以導(dǎo)出 Xilinx需要的對(duì)象。在這種情況下，我們使用了教程項(xiàng)目中的一個(gè)簡(jiǎn)單示例，它非常簡(jiǎn)單且很小。

從導(dǎo)出 RTL 對(duì)話框中，選擇 Vitis 內(nèi)核選項(xiàng)來(lái)代替正常的 Vivado IP。

Xilinx 對(duì)象將導(dǎo)出到設(shè)置的位置。

現(xiàn)在我們可以將獲取的 XO 文件包含在我們的一個(gè)或多個(gè) Vitis 設(shè)計(jì)中。當(dāng)然，如果我們需要硬件實(shí)現(xiàn)，我們也可以將 IP 導(dǎo)出到 Vivado。

RTL與HLS強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合打造FPGA新開(kāi)發(fā)之路

從上面的一個(gè)示例我們看到了，Vitis大大方便了整個(gè)FPGA開(kāi)發(fā)流程，減少了設(shè)計(jì)周期，雖然目前與Verilog/SV/VHDL實(shí)現(xiàn)的硬件在資源方面還是有很大差距，但是很多公司一直在致力于這方面的實(shí)現(xiàn)，畢竟這是一個(gè)趨勢(shì)。那么目前HLS真的一無(wú)用處嗎？

答案是否定的，合理運(yùn)用HLS的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，能達(dá)到事倍功倍的效果，畢竟目前FPGA資源都是過(guò)剩的。

RTL與HLS強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合打造FPGA新開(kāi)發(fā)之路：只需要把兩者結(jié)合好；RTL做控制，HLS做數(shù)據(jù)流計(jì)算這樣的組合才跑得歡快~

PS:不知道大家注意沒(méi)，Vivado中很多官方/第三方IP都是使用HLS搭建的，尤其在視覺(jué)圖像、數(shù)字信號(hào)處理等方面。

總結(jié)

這是《FPGA高層次綜合HLS》系列教程開(kāi)篇，后面會(huì)按照專題繼續(xù)更新，文章有什么問(wèn)題，歡迎大家批評(píng)指正~感謝大家支持。

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