Vitis HLS 学习笔记--初始化与复位

news2025/1/21 0:59:16

1. 简介

2. 控制初始化与复位

2.1 初始化

2.2 复位

2.3 全局复位选项

2.4 复位排除

3. 阵列初始化和复位

3.1 不使用 static 限定符

3.2 使用 static 限定符

3.3 BRAM 和 URAM

4. 总结

1. 简介

本文对比分析两个方面的初始化和复位：阵列和控制（也即块级）

阵列的初始化和复位

阵列初始化：初始化是在编译时（或上电时）为变量（包括阵列）赋予初始值的过程。对于 C/C++ ，全局变量和静态变量默认初始化为0，但也可以给它们指定初始值。对于硬件逻辑，阵列会被实现为存储器（例如RAM），并且在上电或编程 FPGA 时，这些存储器会被预加载指定的初始值。
阵列复位：在运行时，通过复位信号将变量（包括阵列）恢复到其初始状态的过程。不同于初始化，复位是一个动态过程，可以在程序执行期间任何时刻发生。如果选择将变量复位到其初始状态，这会导致设计中增加额外的逻辑和存储器资源。

控制的初始化与复位

控制初始化：初始化行为主要关注变量（包括阵列和寄存器）在编译时或上电时的状态。
控制复位：在 kernel 端口添加复位信号，当用复位信号使能，立即将连接到复位端口的寄存器和 BRAM 还原为初始值。通常 RTL 配置中最重要的操作即选择复位行为。

2. 控制初始化与复位

2.1 初始化

默认情况下，C/C++ 中以 static 变量和全局变量都初始化为 0，也可由用户赋予特定初始值。

在 Vitis HLS 工具中，需要注意：

在 RTL 仿真期间，为这些变量设置的初始值与 C/C++ 语言代码中相同。
在用于对 FPGA 进行编程的比特流中，也会对这些变量进行初始化。当器件上电时，变量将以其初始状态启动。

在 RTL 中，虽然变量启动时使用的初始值与 C/C++ 语言代码相同，但无法强制该变量返回至此初始状态。要复原初始状态，必须通过复位信号来实现。

2.2 复位

复位端口在 FPGA 中用于在应用复位信号时，立即将连接到复位端口的寄存器和块 RAM 还原为初始值。通常 RTL 配置中最重要的操作即选择复位行为。

* TOP LEVEL CONTROL
+-----------+---------------+-----------+
| Interface | Type          | Ports     |
+-----------+---------------+-----------+
| ap_clk    | clock         | ap_clk    |
| ap_rst_n  | reset         | ap_rst_n  |
| interrupt | interrupt     | interrupt |
| ap_ctrl   | ap_ctrl_chain |           |
+-----------+---------------+-----------+

对于复位行为，重要的是理解初始化与复位之间的差异。

2.3 全局复位选项

复位选项包含：

复位极性（reset_level）
同步复位/异步复位（reset_async）
最重要的，通过“reset”选项来控制应用复位信号时要复位的寄存器。

“reset”选项包含 4 项设置：

“none”：在设计中不添加复位。
“control”：这是默认设置，将所有控制寄存器复位。控制寄存器即状态机中使用的寄存器，用于生成 I/O 协议信号。此设置可确保 kernel 可立即启动其操作状态。
“state”：在“control”设置基础上，添加衍生自 C/C++ 语言代码中的静态变量和全局变量的任意寄存器或存储器添加复位。此设置可确保应用复位后，C/C++ 语言代码中初始化的静态变量和全局变量均复位为其初始值。
“all”：为 kernel 中的所有寄存器和存储器添加复位。

2.4 复位排除

通过 RESET 编译指示或指令可提供更精细的复位控制。静态变量和全局变量均可通过 RESET 指令来添加复位。还可使用 RESET 指令的 off 选项从复位的变量中移除变量。

示例一：

void foo(int in[3], char a, char b, char c, int out[3]) {
#pragma HLS reset variable=a

此示例会为 foo 函数中的 a 变量添加复位，即使全局复位设置为 none 或 control 也是如此。

示例二：

void foo(int in[3], char a, char b, char c, int out[3]) {
#pragma HLS reset variable=a off

从 foo 函数中的 a 变量移除复位，即使全局复位设置为 state 或 all 也是如此。

3. 阵列初始化和复位

对于阵列，推荐使用含 static 限定符的存储器来实现。这不仅可确保 HLS 工具以存储器来实现阵列，还允许使用“static”（静态）类型的默认初始化行为。

最为对比，我们设定两种情况：

3.1 不使用 static 限定符

int coeff[8] = {-2, 8, -4, 10, 14, 10, -4, 8};

每次执行函数时，都会为 coeff 阵列分配这些值。综合后，每次执行 kernel 时，用于实现 coeff 的 RAM 都会随这些值一起加载。

如果使用单端口 RAM，此操作耗时 8 个时钟周期。对于 1024 阵列，当然也就需要 1024 个时钟周期，在此期间无法执行任何依赖于 coeff 的运算。

3.2 使用 static 限定符

static int coeff[8] = {-2, 8, -4, 10, 14, 10, -4, 8, -2};

该阵列开始执行时会使用指定的值进行初始化。每次执行该函数时，coeff 阵列都会保留上次执行的值。静态阵列在 C/C++ 语言代码中的行为与 RTL 中的存储器行为相同。

如果变量包含 static 限定符，那么 Vitis HLS 会对 RTL 设计和 FPGA 比特流中的变量进行初始化。因此，无需经历多个时钟周期来初始化存储器，并且可确保大型存储器初始化不会产生任何运算开销。

3.3 BRAM 和 URAM

在不同的硬件平台上，比如 UltraScale+ 或 Versal，内存块（BRAM）和超大型RAM（URAM）的启动和重置方式可能会有所不同。简单来说，Vitis HLS 工具支持两种重置方式：

上电初始化：就像设备刚通电时自动设置好的状态。这种情况下，所有平台的 BRAM 和 Versal 的 URAM 都会被设置成预先定义的初始值。
运行时重置：当设备正在运行中，如果我们发送一个 RESET 信号，BRAM 和 URAM 会被重置到初始状态，就像重新启动一样。

如果读取/写入阵列，则保留“initial value array”（初始值阵列，ROM）和“run time array”（运行时阵列，RAM）。此行为适用于 BRAM 和 URAM，对应于器件执行期间的硬件 RESET 信号。

4. 总结

本文讨论了初始化和复位在硬件设计中的不同方面。阵列的初始化是在编译时或上电时为变量赋予初始值，而复位是在运行时将变量恢复到其初始状态。控制的初始化和复位也是关键，通过复位信号可以在 kernel 端口添加复位行为。对于阵列，使用 static 限定符的存储器可以实现默认初始化行为，避免运算开销。此外，BRAM 和 URAM 的启动和重置方式也需要根据硬件平台进行考虑。