Vivado HLS 开发流程简介（高级综合）（FPGA）



     在传统的FPGA设计流程中，一般是自顶向下的模块化设计，这些模块包括用户自己编写的RTL或者是供应商提供的IP核。而在Xilinx新推出的高生产力设计流程中是以IP为核心的，把所有的模块都看做是IP，封装为IP，最主要的是IP的设计是基于C语言的，最后通过HLS将C语言代码转化为RTL，这能极大的加快设计进程。从这段时间的学习来看，HLS综合出来的电路比我自己写的RTL更省资源，在时序方面可能会差一些，因为我自己是习惯性的全流水，但它也满足了时序的要求。HLS还提供了非常多的经过深度优化的库，所以我个人觉得HLS综合的电路已经比很多刚接触FPGA不久的工程师要好了，传统的RTL设计可能不会消失，但很可能会越来越少了。

      HLS在不添加任何优化指令的情况下默认综合电路为最节省资源的情况，即能使用分时复用就使用分时复用，能在一个周期中完成多个操作（满足时钟频率约束的要求）则绝不流水。从这里得到的启发是，设计不要过度的流水，只要能满足时钟频率的需求，我们在一个时钟周期内可以进行多个操作，于是在低频率的系统中，我们可以节省很多的寄存器资源。这样做还有一个好处是我们可以使用assign来完成逻辑设计，然后再对输出进行寄存，可以极大的减少代码量，增加代码的可读性，HLS综合后的RTL代码的风格就是这样的，当然因为命名的原因该代码几乎没有可读性，我们可以不用刻意去读懂它。

     在学习Vivado HLS工具之前，我们需要了解HLS工具在FPGA开发流程中的作用。Vivado工具的设计理念是以IP为核心的，所有的功能模块都可以看做并且封装成一个IP，最后由Vivado集成，以实现最大化的设计复用。所以Vivado HLS可以看做是一个IP封装工具，它封装的是由C、C++、SystemC或者OpenCL等高级语言实现的功能函数。

   

1、写一下我自己理解的Vivado HLS工具学习流程：

• 熟悉GUI，了解每一个按钮的作用和意义
• 了解从工程创建到设计输出的每个步骤的作用和意义
• 了解Vivado HLS工具在FPGA设计中的作用和意义
• 掌握优化指令directive的使用
• 学习HLS的Coding Styles

2、从一张图简单讲一下Vivado HLS的设计流程

这张图是Xilinx用户指南ug902中的，从图中我们可以看到HLS的设计流程可以分为3个大的部分

• 设计输入
• 仿真综合
• 设计输出

(1)、设计输入里有三个文件是我们需要手动编写的，TestBench、C函数文件、头文件，而Constraints文件是在创建工程的时候完成的，主要是器件和时钟频率的约束，Directive就是优化指令文件，一般是C仿真通过之后添加的，这是综合之前的关键一步，后面会联合综合部分讲到。Xilinx的文档里特别强调了C TestBench的作用，建议不要越过这一步直接综合，HLS一个很大的优越性就是C仿真的速度要比RTL仿真的速度快很多。C函数文件其实对应的就是我们平常编写的RTL，可以把它看成是一个带输入输出端口的盒子，这个盒子完成我们需求的函数功能。而头文件的作用主要是增加代码的可读性和可移植性，头文件里声明任意精度类型，编写宏控制设计的仿真和综合流程。

(2)、仿真综合主要包括两个部分，一是C仿真和C联合RTL仿真，二是C的综合。因为只是为了验证设计的功能正确性，C仿真和C联合RTL仿真较为简单，如果设计没有错误的话，点两下按钮就可以结束了，如果报错，则根据报错信息进行debug就可以了。而C的综合难度较大一点，需要深入了解for循环、数组等结构在不同优化指令下的综合情况，需要看懂综合报告，这就要求对FPGA的底层有一定的了解，如果综合报告没有满足我们的需求，就要修改directive并重新综合，甚至需要修改C代码，这是一个迭代的过程。当综合报告满足我们的需求并且C和RTL联合仿真通过后就可以进行设计输出了。

(3)、设计输出就没什么 了，根据自己需要将该IP用到的地方进行导出就可以了。

3、设计步骤：

1. 创建工程，编写设计输入 ——参考资料：ug871，ug902
2. C仿真和debug ——————-参考资料：ug871，ug902
3. C综合及结果分析—————-参考资料：ug871，ug902
4. C联合RTL仿真 ——————-参考资料：ug871，ug902
5. 输出———————————-参考资料：ug871，ug902

4、再提一下HLS的一个好处：可以通过directive来将同样的代码综合成不同结构的电路
比如我们要重复使用一个模块A，我们可能在资源不够的时候需要对A进行分时复用，在需要高吞吐量的时候又需要对A进行逻辑复制，如果是写RTL代码的话，这两种方式都需要不少的代码量，并且从一种方式换到另一种方式的时候需要重新编写代码，非常耗时。而使用HLS的话，我们只需要一个for循环对A进行调用就可以了，代码非常少，至于我们需要综合成何种结构的电路则添加不同的directive就可以了，并且可以同时生成不同的solution，同时综合成几种不同的电路，非常方便。

5、学习资料

Xilinx官方论坛里整理的学习资料
https://forums.xilinx.com/t5/Vivado%E4%B8%93%E5%8C%BA/Vivado-HLS%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E8%B5%84%E6%96%99/td-p/362057

推荐高亚军老师的视频教程：《跟着Xilinx SAE学HLS》
http://xilinx.eetop.cn/viewnews-2721

6、好的HLS设计 = Good Coding Styles + Good Directives

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