如何在C代碼中插入寄存器？

對(duì)于邏輯級(jí)數(shù)較高的路徑，常用的方法之一是在其中插入流水寄存器，將路徑打斷，從而降低邏輯延遲，這在HDL代碼中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。此外，從RTL代碼風(fēng)格角度講，對(duì)于關(guān)鍵模塊，設(shè)計(jì)時(shí)常將其輸入/輸出端口寄存。這起到了隔離關(guān)鍵路徑的作用。

但是，如果使用的RTL代碼是HLS轉(zhuǎn)換生成的，例如使用Vitis HLS綜合的，其可讀性較差，想要在其生成的HDL代碼中插入寄存器就變得比較困難。為此，我們想到了能否在C代碼中插入寄存器，并保證Vitis HLS綜合后的結(jié)果是寄存器。

這要解決四個(gè)問(wèn)題：一是這樣的C代碼要具備一定的可復(fù)用性，比如，以模板函數(shù)的形式呈現(xiàn)。二是這樣的C代碼是參數(shù)化的，尤其是數(shù)據(jù)類(lèi)型，因?yàn)樾枰拇娴臄?shù)據(jù)其數(shù)據(jù)類(lèi)型不盡相同。這仍然可以借助模板函數(shù)實(shí)現(xiàn)。三是保證這個(gè)函數(shù)不被優(yōu)化合并掉。因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)功能比較單一，輸出等于輸入，這就要用到INLINE的功能。四是C語(yǔ)言是不具備時(shí)序特征的，要實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的延遲，就要借助相應(yīng)的pragma，我們想到了Latency。

在此基礎(chǔ)上，我們構(gòu)造了下面的C++代碼。不難看出，這是一個(gè)模板函數(shù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型是參數(shù)化的，使用了三個(gè)pragma。其中PIPELINE用于限定II為1，LATENCY用于限定延遲為1，INLINE用于防止該函數(shù)被合并。

看一個(gè)具體的使用案例，如下圖所示代碼。功能很簡(jiǎn)單，就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的相加。這里對(duì)兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)a和b分別做了寄存，同時(shí)對(duì)結(jié)果c也做了寄存。最終的綜合報(bào)告顯示Latency為2，和我們預(yù)期的一致。對(duì)于生成的HDL代碼，將其添加到Vivado中進(jìn)行綜合，綜合后的結(jié)果也是符合預(yù)期的。

這里，我們對(duì)比一下三種情形。情形1：不添加流水寄存器；情形2：僅對(duì)輸出添加流水寄存器；情形3：輸入輸出均添加流水寄存器。Vitis HLS綜合結(jié)果以及其生成的HDL代碼在Vivado下的綜合結(jié)果對(duì)比如下圖所示。首先，可以看到Latency符合預(yù)期，同時(shí)II始終為1；其次，Vivado下綜合后的資源利用率與Vitis HLS的結(jié)果是不一致的。這一點(diǎn)也很容易理解，因?yàn)閂ivado綜合時(shí)會(huì)有很多優(yōu)化。

進(jìn)一步，我們看到這里的延遲為1，如果需要兩級(jí)延遲，就要兩次調(diào)用模板函數(shù)。能否將延遲的時(shí)鐘周期也設(shè)置成參數(shù)呢？答案是肯定的，如下圖代碼所示。這里定義了L，用來(lái)管理延遲的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)，對(duì)應(yīng)pragma Latency的min和max值。

原文標(biāo)題：在C代碼中插入寄存器

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