HLS入门

news2024/12/30 3:10:28

一. HLS是什么？与VHDL/Verilog编程技术有什么关系?

高层次综合 (HLS)

抽象级别更高：HLS允许设计者在更高的抽象级别上工作，使用高级编程语言来描述硬件的功能。这种方法减少了设计者需要处理的底层细节，使得设计过程更加高效。
自动生成HDL代码：HLS工具可以将高级语言编写的算法自动转换为HDL代码，从而生成可综合的硬件描述。这种自动化过程可以减少手工编码的错误，并加快设计周期。
设计优化：HLS工具通常具有许多优化选项，可以自动进行循环展开、流水线化等优化，以生成更高效的硬件实现。
加快设计验证：由于使用高级语言进行设计，设计者可以利用软件调试工具进行早期验证，从而加快整个设计验证过程。

VHDL/Verilog编程技术

低级硬件描述：VHDL和Verilog是传统的硬件描述语言，设计者需要在较低的抽象级别上编写代码，详细描述硬件的行为和结构。这需要设计者具备深厚的硬件知识。
手工编码：使用VHDL或Verilog进行设计时，所有的代码都是手工编写的。这种方法尽管灵活，但也容易出现人为错误，并且开发周期较长。
详细控制：设计者可以完全控制硬件的每一个细节，因此在需要精确控制和优化硬件时，VHDL和Verilog是不可替代的。
广泛应用：尽管HLS越来越受欢迎，但VHDL和Verilog仍然是硬件设计中的主流语言，尤其在FPGA和ASIC设计中。

关系和区别

抽象级别：HLS使用高级语言进行设计，抽象级别较高；而VHDL和Verilog是低级的硬件描述语言，需要详细描述每个硬件组件。
设计流程：HLS的设计流程包括高级语言编写、自动综合、优化和验证；而VHDL/Verilog的设计流程主要是手工编写和验证。
应用场景：HLS适用于快速原型设计和算法验证，尤其在设计周期较短的项目中表现出色；而VHDL和Verilog适用于需要详细控制和优化的复杂硬件设计。

总的来说，HLS与传统的VHDL/Verilog编程技术是互补的。HLS提高了设计效率，减少了设计复杂度，而VHDL和Verilog则提供了更高的控制和优化能力。在现代硬件设计流程中，设计者往往会结合使用这两种技术，以充分发挥各自的优势。

二. HLS有哪些关键技术问题？目前存在什么技术局限性？

高层次综合 (HLS) 虽然提供了显著的设计效率提升和抽象级别的提高，但在实际应用中仍然面临一些关键技术问题和局限性：

关键技术问题

精确的硬件映射：如何将高级语言中的抽象描述精确地映射到硬件结构上是HLS的核心挑战之一。高级语言的抽象程度较高，而硬件设计需要精确的细节控制，这两者之间的映射是一个复杂的过程。
性能优化：尽管HLS工具可以进行自动化的性能优化，但如何高效地利用硬件资源（如寄存器、逻辑单元、内存等）仍是一个挑战。自动化优化可能无法达到手工优化的精细程度。
并行性和流水线化：高级语言中的并行性和流水线化在硬件中实现时，需要处理数据相关性、控制依赖性等问题。HLS工具需要智能地分析和处理这些依赖关系，以生成高效的并行和流水线化硬件。
代码风格和结构：高级语言代码的风格和结构对生成的硬件有很大影响。设计者需要熟悉如何编写适合HLS工具处理的代码，以便生成高效的硬件。
调试和验证：从高级语言到硬件描述语言的转换过程中，调试和验证是一个复杂的问题。如何在高级语言级别进行有效的调试，并在硬件级别验证功能正确性，是HLS面临的重要问题。

技术局限性

性能与手工设计的差距：HLS生成的硬件在性能上可能与手工优化的设计存在一定差距。手工设计可以进行更细粒度的优化，而HLS工具的自动化优化难以达到相同的精度。
对复杂控制逻辑的支持不足：HLS在处理复杂的控制逻辑时可能表现出局限性。这是因为高级语言通常更适合描述算法，而硬件设计需要详细的状态机和控制逻辑。
工具的成熟度和兼容性：目前市场上的HLS工具在成熟度和兼容性上存在差异。不同工具对高级语言的支持程度不同，生成的硬件描述语言代码质量也有所不同。这可能导致在不同工具之间进行移植时遇到问题。
学习曲线：尽管HLS提高了抽象级别，但设计者仍然需要学习如何有效使用HLS工具，以及如何编写适合硬件实现的高级语言代码。这对传统的软件工程师和硬件设计师都是一个新的挑战。
资源开销：HLS工具和方法可能引入额外的资源开销，如增加硬件面积、功耗等。虽然HLS可以显著提高设计效率，但在资源受限的应用中，这些开销需要仔细权衡。

未来发展方向

尽管存在这些问题和局限性，HLS技术仍在不断发展。未来的研究和改进可能包括：

提高工具智能化：利用人工智能和机器学习技术，提高HLS工具的智能化水平，自动识别和优化复杂的硬件结构。
改进调试和验证工具：开发更强大的调试和验证工具，支持从高级语言级别到硬件级别的全流程验证。
优化算法：研究和开发更高效的算法，用于自动优化生成的硬件描述，缩小与手工优化的性能差距。
标准化和互操作性：推动HLS工具的标准化，增强不同工具之间的兼容性和互操作性，使得设计者可以更灵活地选择和切换工具。

总体来说，HLS作为一种前沿的设计技术，正在不断进步，并有望在未来的硬件设计中发挥越来越重要的作用。

三. 在win10（或者Ubuntu系统下）安装 Intel 或者 Xilinx 的支持HLS的FPGA编程开发软件（Quartus18或者Vivado18），设置好环境，完成一个入门级的HLS程序，并进行仿真或者实际开发板运行。

创建项目

1、点击Vivado HLS 中的Create New Project
在这里插入图片描述
2、设置项目名

3、加入文件

右键Source与Test Bench，分别新建文件Helloworld.cpp，Helloworld.h与tb_Helloworld.h。

C仿真

1、编写代码
在三个文件中分别编写以下代码：

Helloworld.h

//helloworld.h
#ifndef _HELLOWORLD_H_
#define _HELLOWORLD_H_
#include "ap_int.h"
typedef 	ap_int<1> led_t;
void flash_led(led_t *led_o);
#endif

Helloworld.cpp

//Helloworld.cpp
#include "HelloWorld.h"
void flash_led(led_t *led_o){
#pragma HLS INTERFACE ap_ovld port=led_o
	int i;
	for(i=0;i<10000;i++){
		if(i==9999){
			*led_o = ~(*led_o);
		}
	}
}

tb_Helloworld.cpp

#include "HelloWorld.h"
#include <stdio.h>
int main(){
	led_t led_o;
	const int SHIFT_TIME = 4;
	int i;
	for(i=0;i<SHIFT_TIME;i++){
		flash_led(&led_o);
		printf("result : %d \n",(int)(led_o&0x01));
	}
}

2、仿真
在保存好代码之后，点击图中的这个按钮进行C仿真：
在这里插入图片描述

运行仿真后，出现下面这个界面就说明仿真成功了：

3、综合
进行综合之前，先选择Top Function。

点击Project -> Project Setting -> Synthesis ，点击Helloworld.cpp，并点击Browse选择函数flash_led。
在这里插入图片描述
然后点击C运行：

C 综合结束后，会有一个总结文件在这个文件的最后，有关于端口的表格：

solution1\impl\verilog中，有已经生成好的.v文件：

4、联合仿真

仿真结束后，出现下面界面，说明联合仿真成功：
在这里插入图片描述