FPGA-HLS-乘法器（流水线对比普通仿真）

一、函数介绍

ihc_hls_enqueue(void *retptr, void *funcptr,/*function arguments*/)

• 参数：
  retptr：返回值
  funcptr：将要调用的HLS component
  这个函数对HLS组件的一次调用进行排队。返回值存储在第一个实参中，该实参应该是指向返回类型的指针。在调用ihc_hls_component_run_all()之前，组件不会运行。

ihc_hls_enqueue_noret(void* funcptr,/*function arguments*/)

• 参数：
  funcptr：将要调用的HLS component
  这个函数对HLS组件的一次调用进行排队。当HLS组件的返回类型为void时，应该使用这个函数。在调用ihc_hls_component_run_all()之前，组件不会运行。

ihc_hls_component_run_all(void* funcptr)

• 参数：
  funcptr：将要调用的HLS component
  这个函数接受一个指向HLS组件函数的指针。组件的所有排队调用在运行时将被推入，当组件能够接受新的调用时，HDL模拟器就能以最快的速度运行。

二、HLS相关

2.1 简介

HLS简介

HLS(High-Level Synthesis)高层综合，就是将 C/C++的功能用 RTL 来实现，将 FPGA 的组件在一个软件环境中来开发，这个模块的功能验证在软件环境中来实现，无缝的将硬件仿真环境集合在一起，使用软件为中心的工具、报告以及优化设计，很容易的在 FPGA 传统的设计工具中生成 IP。
传统的 FPGA 开发，首先写 HDL 代码，然后做行为仿真，最后做综合、时序分析等，最后生成可执行文件下载到 FPGA 使用，开发周期比较漫长。
使用 HLS，用高级语言开发可以提高效率。
因为在软件中调试比硬件快很多，在软件中可以很容易的实现指定的功能，而且做 RTL仿真比软件需要的时间多上千倍。

2.2 HLS工程的编译流程

三、普通仿真

普通仿真就是不调用以上函数，不使用流水线进行仿真。

3.1 代码

#include "HLS/stdio.h"
#include "HLS/hls.h"
#include "assert.h"
#include "stdio.h"

component int multi(int a,int b)
{
    return a*b;
}

int main()
{
    srand(0);//0是随机数的种子
    int x,y,z,i;
    for(i = 0;i<10;i++)

    {
        x = rand() % 10;
        y = rand() % 10;
        z = multi(x,y); 
        // printf("%d = %d + %d \n",z,x,y);
        // assert(z == x+y);//断言函数，出错时报错
    }
    return 0;
}

3.2 i++命令前事

• 用win+R+cmd打开电脑终端
• 我们以自带的counter.cpp为例 ，直接编译会报错的
  
• 这时需要返回上两级目录下，进行一个编译的初始化环境的操作。
• 使用cd ..，使用两次，然后有一个init_hls.bat 文件，用它来初始化
  
• 之后就可以进行编译了，注意 每次都要切换到.c文件的目录下。

每次打开一个终端都要进行初始化.

3.3 命令行编译

• 先切换到.c文件所在目录。

1. x86模式

在默认情况下是生成 a.exe 文件，如果需要指定 则在后面加 -o b.exe 下一节流水线会用到

• 命令：i++ -march=x86-64 multi.c -v
  之后：a
  

• 编译没问题就进行联合仿真。

2. 联合仿真模式

• 命令：i++ -march=CycloneV multi.c -v -ghdl
  之后：a
  最后打开仿真：vsim a.prj\verification\vsim.wlf
  

3.4 仿真结果

• 打开ModelSim后添加自己命名函数的 _inst 文件到wave
• 我这里为multi_inst

• 可见是每次对每一对数值进行了计算，且有一个延时。

四、流水线

使用流水线仿真，我们不会用到第二个函数。

4.1 代码

#include "HLS/stdio.h"
#include "HLS/hls.h"
#include "assert.h"
#include "stdio.h"

component int multi(int a,int b)
{
    return a*b;
}

int main()
{
    srand(0);//0是随机数的种子
    int x[10],y[10],z,i;
    for(i = 0;i<10;i++)

    {
        x[i] = rand() % 10;
        y[i] = rand() % 10;
        
        ihc_hls_enqueue(&z,&add,x[i],y[i]);

    }
        ihc_hls_component_run_all(multi);

    return 0;
}

4.2 命令行编译

1. x86模式

在默认情况下是生成 a.exe 文件，如果需要指定 则在后面加 -o b.exe
为了方便查看生成的报告，所以我们这里的命令后会加 -o x.exe

• 命令：i++ -march=x86-64 multi.c -v -o b.exe
  之后：b

• 同样编译没问题就进行联合仿真

2. 联合仿真模式

• 命令：i++ -march=CycloneV multi.c -v -ghdl -o b
  之后：b
  最后打开仿真：vsim b.prj\verification\vsim.wlf

注意这里的 b.prj ，因为前面改变了，所以这里也要变

4.3 仿真结果

• 打开ModelSim后添加自己命名函数的 _inst 文件到wave
• 同上我这里为multi_inst
  
• 结果
  

可见同样有延时并是流水线进行，一组数据直接没有时间间隔。

五、报告对比

• 按图分别打开 a.prj与b.prj下的报告

• a.prj
• 初始页面资源查看

• 资源分析详细查看
  

• b.prj
  

可见两者所用资源情况完全相同。

总代码

• 两个模块放一起，用 ifdef 条件编译来分块使用

#include "HLS/stdio.h"
#include "HLS/hls.h"
#include "assert.h"
#include "stdio.h"
#define DEBUG //不注释掉时使用前面的代码

component int multi(int a,int b)
{
    return a*b;
}

int main()
{
    srand(0);//0是随机数的种子
    #ifdef DEBUG 
    int x,y,z,i;
    for(i = 0;i<10;i++)

    {
        x = rand() % 10;
        y = rand() % 10;
        z = multi(x,y); 
        // printf("%d = %d + %d \n",z,x,y);
        // assert(z == x+y);//断言函数，出错时报错
    }

    #else 
    int x[10],y[10],z,i;
    for(i = 0;i<10;i++)
    {
        x[i] = rand() % 10;
        y[i] = rand() % 10;
        // z[i] = add(x[i],y[i]); //不能赋值
        ihc_hls_enqueue(&z,&add,x[i],y[i]);
    }
        ihc_hls_component_run_all(multi);
    #endif

    return 0;

}

• 参考文献

1. HLS实验（二） 流水线仿真（排队函数的调用）
2. FPGA基础之HLS