Vitis HLS 学习笔记--MAXI手动控制突发传输

news2024/10/7 10:23:19

1. 简介

2. MAXI 突发传输详解

2.1 突发传输的前置条件

2.2 hls::burst_maxi 详解

2.2.1 基本知识

2.2.2 hls::burst_maxi 构造函数

2.2.3 hls::burst_maxi 读取方法

2.2.4 hls::burst_maxi 写入方法

2.3 示例一

2.4 示例二

3. 总结

1. 简介

这篇文章探讨了在《Vitis HLS 学习笔记--AXI4 主接口-CSDN博客》中介绍的AXI4主接口的突发传输。虽然适用于HLS工具能够自动推断突发传输的情况，但并非所有情况工具都能自动推断。文章提供了详细的操作方法和示例，帮助读者在各种情况下优化存储器访问。

2. MAXI 突发传输详解

2.1 突发传输的前置条件

突发前置条件

突发就是对连续的内存空间请求访问。突发必须满足下列前置条件才能成功启动突发最优化：

请求必须全部为读取请求或者全部为写入请求。
访问必须按单调递增顺序。
访问必须为连续的内存空间，如果有两个存储器，它们之间需按正序彼此相邻且无间隔或重叠。
读取/写入访问的次数（或突发长度）必须可在发出请求之前确定。要么编译时确定，如果在运行时计算得到突发长度，必须在发出读取/写入请求之前完成计算。
如果将两个阵列绑定到同一个 M-AXI 端口，那么任意给定时间内，任一方向上最多仅针对一个阵列执行突发。
突发请求的发起时间与完成时间之间不得存在任何依赖关系问题。

2.2 hls::burst_maxi 详解

2.2.1 基本知识

Vitis HLS 可以执行自动突发最优化，从用户代码汇总循环/函数自动推断并优化存储器访问，并在单个突发请求内执行特定大小的读取/写入操作。但突发传输也有要求的，这些要求有时可能难以满足，或者 HLS 工具无法正确推断出用户的突发传输需求。

如果你发现 HLS 工具自动突发传输未按期望方式工作，并且无法按需对设计进行最优化，那么可以使用hls::burst_maxi 对象来实现读取和写入传输事务，即使用手动突发。

使用手动突发需要掌握熟悉 AXI4 m_axi 协议，并且理解硬件传输事务建模。

hls::burst_maxi 类工作原理

hls::burst_maxi 类可以实现对 DDR 执行读/写访问，它可以控制 AXI4 总线信号上发送和接收请求：AW、AR、WDATA、BVALID 和 RDATA，通过这些操作就可以控制 AXI 调度器的突发行为。适配器可从调度器接收命令，并负责向 DDR 发送数据。这些请求将遵循用户指定的 INTERFACE 编译指示选项，例如 max_read_burst_length 和 max_write_burst_length等。

注：hls::burst_maxi 类方法应仅在内核代码中使用，不得在测试激励文件中使用。

关于适配器和调度器请参见下图：

2.2.2 hls::burst_maxi 构造函数

burst_maxi(const burst_maxi &B) : Ptr(B.Ptr) {}
burst_maxi(T *p) : Ptr(p) {}

2.2.3 hls::burst_maxi 读取方法

void read_request(size_t offset, size_t len);

此方法用于对 m_axi 适配器执行读取请求。如果 m_axi 适配器内部的读取请求队列未满，那么该函数就会立即返回，否则它会等待至空间变为可用为止。

offset：指定存储器偏移，将从该指定偏移位置读取数据
len：指定调度器突发长度。此突发长度将发送至适配器，随后，适配器即可将其转换为标准 AXI AMBA 协议

T read();

此方法用于将数据从 m_axi 适配器传输至调度器 FIFO。如果数据不可用，read() 将执行阻塞。read() 方法应调用 len 次，具体次数在 read_request() 中指定。

2.2.4 hls::burst_maxi 写入方法

void write_request(size_t offset, size_t len);

此方法用于对 m_axi 适配器执行写入请求。如果 m_axi 适配器内部的写入请求队列未满，那么该函数就会立即返回。

offset：指定存储器偏移，数据应写入该指定偏移位置
len：指定调度器突发长度。此突发长度将发送至适配器，随后，适配器即可将其转换为标准 AXI AMBA 协议

void write(const T &val, ap_int<sizeof(T)> byteenable_mask = -1);

此方法用于将数据从调度器的内部缓冲器传输到 m_axi 适配器。如果内部写入缓冲器已满，那么它会执行阻塞。byteenable_mask 用于在 WDATA 中启用字节。默认情况下，它将启用传输的所有字节。write() 方法应调用 len 次，具体次数在 write_request() 中指定。

void write_response();

此方法会执行阻塞，直至从全局存储器返回所有写入响应为止。此方法的调用次数应与 write_request() 相同。

2.3 示例一

提供一个原始代码样本，它使用指针实参从全局存储器读取数据：

void dut(int *A) {
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
#pragma pipeline II=1
        ... = A[i]
    }
}

修改代码，拆分A为 4 个请求（len 均为 16）从端口 A 放置到 m_axi 适配器上。

首先，指针需要被替换为 hls::burst_maxi<> 类。该适配器将其存储在 FIFO 内部，只要 AW/AR 总线可用，它就会将请求发送到全局存储器。其次，在 64 次循环迭代中，通过 read() 命令发出阻塞调用，调用将等待全局存储器返回的数据。最后，数据可用后，HLS 调度器将从 m_axi 适配器 FIFO 读取此数据。代码如下：

#include "hls_burst_maxi.h"
void dut(hls::burst_maxi<int> A) {
    // Issue 4 burst requests
    A.read_request(0, 16); // request 16 elements, starting from A[0]
    A.read_request(128, 16); // request 16 elements, starting from A[128]
    A.read_request(256, 16); // request 16 elements, starting from A[256]
    A.read_request(384, 16); // request 16 elements, starting from A[384]
    
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
#pragma pipeline II=1
        ... = A.read(); // Read the requested data
    }
}

2.4 示例二

void trf(hls::burst_maxi<int> A) {
    A.write_request(0, 2);
    A.write(x); // write A[0]
    A.write_request(10, 1);
    A.write(x, 2); // write A[1] with byte enable 0010
    A.write(x); // write A[10]
    A.write_response(); // response of write_request(0, 2)
    A.write_response(); // response of write_request(10, 1)
}

内核会将 2 个请求从端口 A 放置到适配器上，第一个请求的 len 为 2，第二个请求的 len 为 1，总计 2 个写入请求。
它会发出对应的请求，因为总计突发长度为 3 条写入命令。
适配器将这些请求存储在 FIFO 内部，只要 AW 和 WD 总线可用，它就会将请求和数据发送到全局存储器。
最后，使用 2 条write_response 命令等待 2 个 write_requests 的响应。

3. 总结

本文分享了在Vitis HLS中使用AXI4主接口进行手动突发传输的方法。首先，解释了突发传输的前置条件，包括请求类型、顺序、连续性等。接着，介绍了通过hls::burst_maxi对象实现手动突发传输的方法，包括构造函数、读取和写入方法的使用。本文还提供了两个示例，展示了如何使用该对象进行数据读取和写入，并解释了相应的过程。