如何在不改變RTL代碼的情況下，優(yōu)化FPGA HLS設(shè)計

用軟件從 C 轉(zhuǎn)化來的 RTL 代碼其實并不好理解。今天我們就來談?wù)?，如何在不改?RTL 代碼的情況下，提升設(shè)計性能。

本項目所需應用與工具：賽靈思HLS、Plunify Cloud 以及 InTime。

前言
高層次的設(shè)計可以讓設(shè)計以更簡潔的方法捕捉，從而讓錯誤更少，調(diào)試更輕松。然而，這種方法最受詬病的是對性能的犧牲。在復雜的 FPGA 設(shè)計上實現(xiàn)高性能，往往需要手動優(yōu)化 RTL 代碼，這也意味著從 C 轉(zhuǎn)化得到 RTL 基本不可能。其實，使用 FPGA 工具設(shè)置來優(yōu)化設(shè)計可以最小限度地減少對性能的犧牲，這種方法是存在的。

高效地找到合適的FPGA工具設(shè)置
盡管工程師們知道 FPGA 工具的設(shè)置，但是這些設(shè)置往往并沒有充分利用。一般而言，工具設(shè)置只有在出現(xiàn)時序問題的時候才會派上用途。然而，對于已經(jīng)達到性能目標的設(shè)計來說，如果繼續(xù)調(diào)整工具設(shè)計，仍然有10%-50%的性能提升潛力。

真正的難點在于選擇正確的工具設(shè)置，畢竟各種 FPGA 工具一般都有有30-70個不同的布局布線設(shè)置，可選的設(shè)置組合實在是太多了。您可以寫腳本來運行不同的推薦指令/策略。市面上也有工具，來自動管理并運行設(shè)計探索。

另一個難點就是不充裕的計算能力。典型的嵌入式應用是在單臺電腦上設(shè)計的。運行多個編譯需要更多的計算能力，這就要求更多的時間。如果您可以（使用云計算）并行運行，周轉(zhuǎn)時間就會變短。

如何優(yōu)化高層次的設(shè)計 - “Sobel濾鏡”項目
這是一個用于視屏處理的參考設(shè)計，來自賽靈思的官網(wǎng) https://china.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp890... 。該設(shè)計的功能是 Sobel 濾鏡，目標器件是擁有雙核Dual ARM? Cortex?-A9MPCore 的 FPGA。

我們使用賽靈思 HLS 來打開這個設(shè)計。

圖一：參考設(shè)計– Sobel濾鏡

它的時鐘周期是5.00ns，也就是200MHz。從下圖的時序預估中可以看出，它離時序目標還差506ps（181MH1），也就是比目標速率還差10%。

圖二：當前時序結(jié)果

導出成 RTL 項目
不需要改變 C++ 代碼，把設(shè)計輸出成一個RTL 的 Vivado 項目。在 “Solution”下面，選擇“Export RTL”。

圖三：從HLS輸出Vivado項目

它會在后臺執(zhí)行 Vivado，并生成一個項目文件（XPR）。它同時也會編譯設(shè)計，您應該在控制臺（Console）看到真實的時序細節(jié)。一旦完成，您可以在 /solution/impl/verilog/ 文件夾下找到項目文件。

圖四：Vivado 項目文件

找到這個 XPR 文件之后，您可以用 Vivado 打開它來驗證。您將看到生成好的 RTL 源文件。

圖五：從 HLS 生成的 RTL

時序優(yōu)化
下一步，是使用 InTime 設(shè)計探索工具，當然，您也可以自己寫腳本來嘗試 Vivado 工具中自帶的指令和策略。請申請 InTime 的免費試用在本地運行，也可以注冊一個 Plunify Cloud 云平臺的賬戶，試用所提供的免費云幣來在云端運行預置好的 FPGA 工具。

啟動 InTime 之后，打開項目文件。在選擇 Vivado 版本時，請使用“相同的”版本。例如，如果您使用2017.3 HLS，請選擇2017.3 Vivado。

選擇“Hot Start”配方（recipe）。此配方包含一系列更具以往其他設(shè)計的經(jīng)驗而推薦的策略。

圖六：選擇 "Hot Start" 配方

點擊“Start Recipe”來開始優(yōu)化。如果您在云端運行，您應該并行運行多個編譯來減少周轉(zhuǎn)時間。

優(yōu)化過程和結(jié)果
第一輪結(jié)束之后 (“Hot Start”配方），最好的結(jié)果是“hotstart_1”策略。然而，它仍然距離目標時序90ns。

我們在“HotStart_1”的結(jié)果上使用了第二個配方，叫做“Extra Opt Exploration”。這一輪將集中優(yōu)化關(guān)鍵的路徑。這是一次迭代優(yōu)化，并且只要仍有提升，就不斷地重復自己。如果達到時序目標或者不再提升的時候，它就會停止。

圖七：僅通過工具設(shè)置完成時序收斂

經(jīng)過兩輪優(yōu)化，總共15此編譯后，設(shè)計達到了目標時序，200MHz。而這一切完全沒有修改 RTL 源代碼。

讓性能更進一步
讓性能更進一步需要各方面的優(yōu)化 – 結(jié)構(gòu)設(shè)計、代碼和工具。工具設(shè)置的探索可以克服高層次設(shè)計的性能犧牲，并且不會讓生產(chǎn)效率的好處減少。對于高層次設(shè)計的工程師來說，這是一種共贏。

編輯：hfy