FPGA HLS 的机理图文详解

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FPGA HLS 的机理图文详解

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https://www.21ic.com/a/979786.html

FPGA HLS（高级综合）是一种将C/C++代码转换为FPGA硬件逻辑的技术，能够显著提升FPGA算法开发的效率。本文详细介绍了HLS的工作原理、优化策略以及与传统C语言编译的区别，通过具体例子和图表帮助读者深入理解这一技术。

HLS (High-Level Synthesis)称为高级综合，其主要功能是用C/C++为FPGA开发算法，这将大幅提升FPGA算法开发的生产力。Xilinx最新的HLS是Vitis HLS，在Vivado 2020版本中替代了原先的Vivado HLS，功能略有差异。

HLS的实现机理

简单来说，HLS采用类似C语言的方式来设计FPGA逻辑。但是要实现这个目标并不容易，因为软件和硬件的功能实现存在很大差别。软件主要针对顺序程序执行，即便是并行程序执行，也是通过操作系统调度CPU资源实现的。而基于FPGA的硬件逻辑，在没有上下文关联的情况下，完全可以并行运行。在没有特别语法规则的情况下，将C语言程序转换为硬件逻辑并尽量实现硬件的并行执行是有难度的。人们为此研究了将近20年。

在这个领域的主要贡献者是康奈尔大学的张志如博士，他是康奈尔大学ECE学院助理教授，计算机系统实验室成员。他目前的研究重点是异构计算的高级设计自动化。他的作品获得了TODAES的最佳论文奖和ICCAD的最佳论文提名。2006年，他与人共同创立了AutoESL Design Technologies, Inc.，将他关于高层次综合的博士论文研究商业化。AutoESL于2011年被Xilinx收购，收购后AutoESL工具更名为Vivado HLS。

了解HLS的实现机理，有助于编写出高效率的HLS逻辑。软件编译器将高级语言翻译成机器语言，主要关注语言的语法转换规则。相比之下，HLS的翻译难度更大，因为模块中的语句形式上是前后顺序排列的，但HLS需要尽力转换成并行执行的硬件逻辑，并通过数据流、管道等技术实现硬件优化。可以说，HLS的编译技术是非常先进的。

HLS的目标是根据用户提供的输入和限制自动替用户做出很多决定，自动完成以下曾经需要手动完成的工作：

自动分析并利用算法中潜在的并发性
自动在需要的路径上插入寄存器，并自动选择最理想的时钟
自动产生控制数据在一个路径上出入方向的逻辑
自动完成设计的部分与系统中其他部分的接口
自动映射数据到存储单元以平衡资源使用与带宽
自动将程序中计算的部分对应到逻辑单元，在实现等效计算的前提下自动选取最有效的实施方式

下面是一个简单的例子：

从图可见，为了在时钟脉冲下控制程序的执行，在转换后，添加了一个有限状态机。

下面是循环的机制：

可以看出缺省方式和PIPELINE的差异，速度提高了一倍。

任务的并行执行（Task Parallelism with HLS）

HLS中将每一个语句看作一个任务，它们可能是一个语句，或者是一个函数调用。例如一个函数中调用4个函数，A、B、C、D。在C语言中，A、B、C、D是依次执行的。但是在HLS的实现中，如果A、B、C、D四个模块没有数据的依赖关系的话，它们完全可以并行地执行。

我们假设，A在两个不同的数组中为B和C生成数据，而D使用数据来自B和C生成的两个不同数组。让我们假设这种“钻石”通信模式将运行两次（两次调用），并且这两次运行是独立的。

void diamond(data_t vecIn[N], data_t vecOut[N]) {
    data_t c1[N], c2[N], c3[N], c4[N];
    funcA(vecIn, c1, c2);
    funcB(c1, c3);
    funcC(c2, c4);
    funcD(c3, c4, vecOut);
}

这是一种所谓“钻石”形链接（“diamond” shape connectivity.）。

全顺序执行对应于图1中的图，其中圆圈表示用于实现序列化的某种形式的同步。

在菱形示例中，B和C是完全独立的：它们不通信，不访问共享内存资源，如果不需要共享计算资源，则可以期望它们并行执行。这导致了图2中的图表，在一次运行中具有一种fork-join并行性形式：B和C在A结束后并行执行，D等待B和C，但下一次运行仍然是序列化的。

让我们走得更远一点。到目前为止，之前的执行模式在调用中利用了任务级并行性。重叠连续运行呢？如果它们是真正独立的，但如果每个函数（即A、B、C或D）重用与之前运行相同的计算硬件，我们可能仍希望执行，例如，并行执行A的第二次调用B和C的第一次调用。这是一种跨调用的任务级流水线形式，导致如图3所示的图表。吞吐量现在得到了提高，因为它受到所有任务之间的最大延迟的限制，而不是它们的延迟之和。每次运行的延迟不变，但多次运行的总延迟减少了。

这些看起来很复杂，但是HLS为我们实现了细节。我们只需了解这些机理就可以了。

C语言与硬件组件的区别

HLS采用了C语言描述逻辑，它们的对应关系如下：

但是，HLS对C语言又做出了一些限制：

不使用动态内存分配（不使用malloc(), free(), new和delete()）
减少使用指针对指针的操作
不使用系统调用（例如abort(), exit(), printf()），我们可以在其他代码例如测试平台上使用这些指令，但是综合的时候这些指令会被无视（或直接删掉）
减少使用其他标准库里的内容（支持math.h里常用的内容，但还是有一些不兼容）
减少使用C++中的函数指针和虚拟函数
不使用递归方程
精准的表达我们的交互接口