Floating-Point設計編碼風格與技巧

盡管通常Fixed-Point（定點）比Floating-Point（浮點）算法的FPGA實現(xiàn)要更快，且面積更高效，但往往有時也需要Floating-Point來實現(xiàn)。這是因為Fixed-Point有限的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，需要深入的分析來決定整個設計中間數(shù)據(jù)位寬變化的pattern，為了達到優(yōu)化的QoR，并且要引入很多不同類型的Fixed-Point中間變量。而Floating-Point具有更大的數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，從而在很多算法中只需要一種數(shù)據(jù)類型的優(yōu)勢。

Xilinx Vivado HLS工具支持C/C++ IEEE-54標準單精度及雙精度浮點數(shù)據(jù)類型，可以比較容易，快速地將C/C++ Floating-Point算法轉成RTL代碼。與此同時，為了達到用戶期望的FPGA資源與性能, 當使用Vivado HLS directives時需要注意C/C++編碼風格與技巧相結合。

編碼風格

1.1 單雙精度浮點數(shù)學函數(shù)

#include
float example(float var)
{
return log(var); // 雙精度自然對數(shù)
}

在C設計中, 這個例子, Vviado HLS 生成的RTL實現(xiàn)將輸入轉換成雙精度浮點,并基于雙精度浮點計算自然對數(shù),然后將雙精度浮點輸出轉換成單精度浮點.

#include
float example(float var)
{
return logf(var); // 單精度自然對數(shù)
}
在C設計中, logf才是單精度自然對數(shù), 這個例子 Vviado HLS 生成的RTL實現(xiàn)將基于單精度浮點計算自然對數(shù), 而且沒有輸入輸出單雙精度的互轉。

1.2 浮點運算優(yōu)化

我們先來看一個例子，三個從代數(shù)上看起來差不多的寫法，但其在Vivado HLS中綜合出來的是三個完全不一樣的結果。

void example(float *m0, float *m1, float *m2, float var)
{
*m0 = 0.2 * var; // 雙精度浮點乘法，單雙精度類型轉換
*m1 = 0.2f * var; // 單精度浮點乘法
*m2 = var / 20.0f; // 單精度浮點除法
}

Vivado HLS將日m0, m1, m2綜合成不同的RTL實現(xiàn)。
因為0.2是一個不能精確表征的雙精度數(shù)字， 所以m0運算會被Vivado HLS綜合成一個雙精度浮點乘法， 并且將var 轉換成雙精度， 然后將雙精度乘法輸出m0轉換成單精度。
特別注意，如果希望Vivado HLS綜合出單精度常熟，需要在常數(shù)后面加f, 如0.2f。這樣m1綜合成一個單精度乘法的輸出。同理，m2將被Vivado HLS綜合成單精度除法的輸出。

我們來看另外一個例子。

void example(float *m0, float *m1, float var)
{
*m0 = 0.2f * 5.0f * var; // *m0 = var;常數(shù)乘法被優(yōu)化掉
*m1 = 0.2f * var * 5.0f; // 兩個雙精度浮點乘法
}

再來看另一個例子。

void example(float *m0, float *m1, float var)
{
*m0 = 0.5 * var; //
*m1 = var/2; //
}
m0運算會被Vivado HLS綜合成一個雙精度浮點乘法， 并且將var 轉換成雙精度， 然后將雙精度乘法輸出m0轉換成單精度。

m1運算會被Vivado HLS綜合成簡單的右移運算。所以如果用戶希望實現(xiàn)對var除以2， 就寫成m1這種表達式，而不是m0的表達式。

并行度與資源復用
由于浮點運算相比整型，定點運算耗用更可觀的資源。Vivado HLS會盡量用更有效的資源來實現(xiàn)浮點運算，當數(shù)據(jù)的相關性及約束許可的情況下，在Vivado HLS中，會盡量復用一些浮點運算單元。為了說明這個，我們看一個簡單的四個浮點加法例子， Vivado HLS復用一個浮點加法器來串行實現(xiàn)四個浮點加法。
void example(float *r, float a, float b,
float c, float d)
{
*r = a + b + c + d;
}