如何在Vitis HLS中使用C語言代碼創(chuàng)建AXI4-Lite接口

在本教程中，我們將來聊一聊有關(guān)如何在 Vitis HLS 中使用 AXI4-Lite 接口創(chuàng)建定制 IP 的基礎(chǔ)知識。

注：在 Vivado HLS 中使用 AXI 創(chuàng)建 IP 的過程與使用 Vitis HLS 的過程不同。如果您想要在 Vivado HLS 中創(chuàng)建 AXI IP，請參閱UG902。

https://china.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2020_1/c_ug902-vivado-high-level-synthesis.pdf

AXI4-Lite 屬于基本 AXI 通信協(xié)議。它常用于簡單的低吞吐量存儲器映射通信（例如，往來于控制寄存器和狀態(tài)寄存器的通信）。

如上圖所示，AXI4-Lite 接口可設(shè)置為只讀（僅包含 2 條讀取通道）或只寫（僅包含 3 條寫入通道）。

在本教程中，我們將創(chuàng)建以下 IP，并使用 s_axi_BUS_A 作為我們的 AXI4-Lite 接口：

本教程結(jié)束時，您將能夠

了解在 Vitis HLS 中創(chuàng)建 AXI4-Lite 接口的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

了解 Vitis HLS 中的編譯指示相關(guān)信息，此類編譯指示用于定義所使用的 AXI 接口。

打開 AXI4-Lite 設(shè)計示例

在 Vitis HLS 中提供了 AXI4-Lite 的設(shè)計示例。要打開 AXI4-Lite 的設(shè)計示例，請遵循以下步驟進(jìn)行操作：

1. 打開 Vitis HLS GUI。在首頁屏幕中，選擇“克隆示例 (Clone Examples)”選項以便從 GitHub 復(fù)制 Vitis HLS 設(shè)計示例：

2. 在彈出選項卡中，選擇示例的保存位置，然后單擊“確定 (OK)”：

3. 在下一個屏幕中，設(shè)計示例將顯示在左下角。選中“HLS 微教程 (HLS Tiny Tutorials)”和“工作樹結(jié)構(gòu) (Working Tree)”旁的箭頭即可查看所有可用示例。

4. 向下滾動，找到 interface_axi_lite 示例。右鍵單擊文件夾名稱，然后選中“運行并打開 HLS 工程 (Run and Open HLS Project)”選項。

5. 完成此操作后，將在左側(cè)選項卡中打開此工程。雙擊 example.cpp 和 example_test.cpp 以查看源代碼和測試激勵文件。

源代碼詳解

此示例包含 2 個主要文件：

Example.cpp - 此代碼將綜合到 RTL 中以創(chuàng)建“簡介”中所示的 IP。此 IP 將與 Vivado Design Suite 中的其它 IP 相結(jié)合，并最終被放置到您的硬件上。

Example_test.cpp - 此測試激勵文件將用于確保 example.cpp 按期望方式運行。Example.cpp 算法將通過如下方式進(jìn)行檢查：將該算法的輸出與測試激勵文件中執(zhí)行的“期望數(shù)據(jù) (golden data)”計算結(jié)果進(jìn)行比較。只要黃金數(shù)據(jù)與 example.cpp 的返回結(jié)果相匹配，HLS 中的測試激勵文件就會返回 0。

選中左側(cè)列中“源代碼 (Source)”下的 example.cpp 即可打開源代碼。接下來我們來詳細(xì)看下代碼：

函數(shù)實參

void example(char *a, char *b, char *c)

進(jìn)入庫之后首先可看到的是 example(); 函數(shù)。只要您熟悉基于 C 語言的設(shè)計，就不難發(fā)現(xiàn)，通過形參（如上述示例中的 char *a、char *b 和 char*c）即可瞬間執(zhí)行所有輸入和輸出操作。

在 RTL 設(shè)計中，數(shù)據(jù)通過端口進(jìn)出 IP。這些端口可使用特定 I/O 協(xié)議（例如，AXI4-Lite、AXI4-Stream 等）來進(jìn)行操作，這樣即可保證 IP 塊之間能夠進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的通信。

對于進(jìn)出 IP 的每一條數(shù)據(jù)，都應(yīng)將其指定為主源文件中的一個獨立函數(shù)實參。稍后，該函數(shù)實參將被綜合成硬件 (RTL) 中的一個“端口”。

注：端口實際上可通過 3 種不同方法來創(chuàng)建，但本教程將主要講解采用函數(shù)實參的方法。

端口衍生自：

指定的任意函數(shù)級協(xié)議。

函數(shù)實參。

全局變量（供頂層函數(shù)訪問，在其作用域范圍外定義）。

注：由于 AXI4-Lite 接口中的變量為函數(shù)實參，因此在 C 語言代碼中無法為其指定默認(rèn)值。因此，無法為 AXI4-Lite 接口中的任何寄存器指定默認(rèn)值。這些寄存器可通過 config_rtl 命令進(jìn)行復(fù)位來實現(xiàn)，但不能為其指定任何其它默認(rèn)值。（請參閱控制復(fù)位行為以了解詳細(xì)信息）。

https://china.xilinx.com/html_docs/xilinx2020_1/vitis_doc/programmingvitishls.html

接口編譯指示

接下來，我們來看看編譯指示接口。

首先逐一了解下其中每個組件：

#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=a bundle=BUS_A

#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=b bundle=BUS_A

#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=c register bundle=BUS_A

#pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return bundle=BUS_A

我們需要把 IP 的輸入/輸出定義為 s_axilite，這樣才能使用 AXI4-Lite 協(xié)議。如果我們的代碼中不包含此行，那么數(shù)據(jù)輸入/輸出將綜合到基本連線中，并且將不含關(guān)聯(lián)的握手信號。在此情況下，輸入將保持穩(wěn)定狀態(tài)直至執(zhí)行讀取輸入操作為止，一旦未謹(jǐn)慎執(zhí)行此操作，就可能導(dǎo)致錯誤。

接口編譯指示格式如下：

#pragma HLS interface port= (register) bundle=

其中：

：用于指定函數(shù)實參的接口協(xié)議模式。在此例中，我們選擇的是 s_axilite。

port=：用于指定 INTERFACE 編譯指示所應(yīng)用到的函數(shù)實參名稱。

(register)：這是可選關(guān)鍵字，用于寄存（即存儲）信號和所有關(guān)聯(lián)的協(xié)議信號。它會導(dǎo)致信號保持直至至少完成函數(shù)執(zhí)行的最后一個周期為止。

bundle=：此關(guān)鍵字支持您將端口信號手動組合到單一數(shù)據(jù)總線內(nèi)。如果函數(shù)返回指定為 AXI4-Lite 接口（即代碼示例中的第 25 行），那么所有數(shù)據(jù)端口都將被自動捆綁到單一總線中。如果未在此處明確提供捆綁名稱，那么 Vitis HLS 將使用默認(rèn)捆綁名稱control。當(dāng)使用其它器件（例如，CPU）來配置和控制塊的啟動和停止操作時，這是常見的做法。

s_axilite port=return：用于設(shè)置類型為 s_axilite 的函數(shù)實參，端口名稱“return”將在 IP 塊中創(chuàng)建中斷信號。您可通過 AXI4-Lite 接口和 C 語言驅(qū)動程序文件來完成中斷編程。如需了解更多信息，請參閱此處

https://china.xilinx.com/html_docs/xilinx2020_1/vitis_doc/programmingvitishls.html#auo1539734222936

注：如果任意頂層函數(shù)實參指定為 AXI4-Lite 接口，則函數(shù)返回也必須指定為 AXI4-Lite 接口。

注 2：默認(rèn)情況下，HLS 會為分組到同一個 AXI4-Lite 接口的每個端口分配地址。Vitis HLS 在C 驅(qū)動程序文件(如下鏈接)中提供了分配的地址。要顯式定義地址，可使用 offset 選項。在 AXI4-Lite 接口中，Vitis HLS 保留地址 0x0000 到 0x000C，用于塊級 I/O 協(xié)議信號和中斷控制。

https://china.xilinx.com/html_docs/xilinx2020_1/vitis_doc/programmingvitishls.html#auo1539734222936

函數(shù)主體

*c += *a + *b;

在該函數(shù)中，可以精確定義希望此 IP 執(zhí)行的操作，此 IP 將導(dǎo)入 2 個值（a 和 b）并將結(jié)果 (c) 存儲在寄存器中。為測試功能，測試激勵文件將為 a 和 b 提供 example() 函數(shù)，并將其與自己計算 a+b 所得的值進(jìn)行比較。如果結(jié)果相匹配，那么測試激勵文件應(yīng)始終返回 0，并且 c 仿真即可通過。