HLS系列 – High LevelSynthesis(HLS) 從一個最簡單的fir濾波器開始5

在這個系列的前4篇文章“HighLevel Synthesis(HLS) 從一個最簡單的fir濾波器開始1-4”中，我們從一個最簡單的FIR濾波器，一步步優(yōu)化，得到了一個資源和Latency都比較理想的HLS綜合結(jié)果。我們先回顧下：

我們做過的優(yōu)化主要有：
在頭文件定義中，把數(shù)據(jù)和系數(shù)的精度都改成了整形，用18bit來表示；
在fir.c的for loop里面，修改代碼結(jié)構(gòu)，只顯性的出現(xiàn)一處乘法描述；
把fir.c中的shift_reg，在HLS中約束只用reg來實現(xiàn)
約束Shift_accum_Lopp的Pipeline屬性II=1
通過這4處改進(jìn)，我們成濾波器資源消耗，和Latency數(shù)據(jù)如下：

在這一章，讓我們再嘗試從另外一個角度，繼續(xù)改進(jìn)這個fir濾波器。

從上述資源報告中DSP48E的消耗個數(shù)，以及Latency，我們知道現(xiàn)在的濾波器采用的是串行的處理方式。這和我們在數(shù)字信號處理課程中，常見的FIR濾波器結(jié)構(gòu)是不太一樣的。有經(jīng)驗的讀者，肯定會回憶起，我們在課本里常見的濾波器長得大概是下面這個樣子：

這是一種并行的處理結(jié)構(gòu)。一個11階的濾波器，就需要消耗11個乘法器，和多個加法器。所有的這些運算都可以并行的執(zhí)行，并在一個周期內(nèi)完成。這樣的處理在速度上當(dāng)然是最好的，雖然它意味著消耗更多的資源。那么我們?nèi)绾尾拍芫C合處上述結(jié)構(gòu)的濾波器呢？

HLS提供了一條專門的約束語法，HLSUNROLL，用以約束loop循環(huán)展開，也就是并行執(zhí)行。下面我們來試試這條約束，添加完成后如下所示：

那我們綜合一下，看看結(jié)果如何：

我們可以看到，把for loop展開后，總的latency確實減小了很多，從上篇文章中的18減小到了9。而且DSP消耗也從1個變成了8個。

效果還不錯！但是請稍等等，這個是最好的結(jié)果了嗎？稍微留一下，我們會發(fā)現(xiàn)1個問題
如果是全部展開的操作模式，那么理論上，所有的這些計算應(yīng)該在1個clock cycle之內(nèi)就可以完成，而現(xiàn)在卻消耗了9個clock cycle；
那么是什么地方的限制，導(dǎo)致了無法達(dá)到我們理想的目標(biāo)呢？

問題出在接口的優(yōu)化上。在下圖中，我們可以看到，fir函數(shù)的系數(shù)參數(shù)C被映射成了一個雙端口RAM，這意味著我每個時鐘周期僅能取2個系數(shù)進(jìn)行運算，總共16個系數(shù)一共需要8個時鐘周期才能提取完畢?？磥砭褪遣磺‘?dāng)?shù)腃端口，影響了我們HLS工具的進(jìn)一步優(yōu)化。

明確問題后，解決辦法也很簡單。我們可以通過約束，設(shè)置把C[N]端口完全打散，讓它在rtl頂層，變成一組信號輸入，這樣就可以做到1個時鐘周期把所有的系數(shù)都提取進(jìn)來進(jìn)行運算。操作方式非常類似于之前的把shirft_reg打散的步驟：

經(jīng)過這個優(yōu)化后，我們再來看下資源和Latency，效果很不錯：

接口上也有很大的變化：

至此，這個fir濾波器的優(yōu)化工作基本可以告一段落了。我們通過修改代碼，添加HLS約束等手段，成功實現(xiàn)了一個不論是效率，還是資源使用，都比較合理的fir濾波器。