HLS:lab3 采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方案 - 全文

本實(shí)驗(yàn)練習(xí)使用的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)1并對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化。

步驟1：創(chuàng)建新項(xiàng)目

1.打開Vivado HLS 命令提示符

a.在windows系統(tǒng)中，采用Start>All Programs>Xilinx Design Tools>Vivado2014.2>Vivado HLS>Vivado HLS 2014.2 Command Prompt

b. 在linux系統(tǒng)下，打開新的shell

2.變更到lab3路徑：cdc:\Vivado_HLS_Tutorial\Introduction\lab3.

3.在命令提示符窗口中，鍵入：vivado_hls -f run_hls.tcl建立工程

4.在命令提示符窗口中，鍵入：vivado_hls -p fir_prj在vivado用戶界面打開工程，Vivado HLS打開，如下圖所示。方案1的綜合已經(jīng)完成

如前面所述，本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：

?為這個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)建一個(gè)的最高吞吐量的版本

?最終的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠處理一個(gè)伴隨輸入有效信號(hào)的輸入數(shù)據(jù)。

?伴隨著一個(gè)輸出有效信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)。

?為了FIR設(shè)計(jì)，此濾波器系數(shù)存儲(chǔ)在外部的一個(gè)單端口的ram中。

步驟2：優(yōu)化I/O接口

因?yàn)樵O(shè)計(jì)規(guī)范中包含了I/O協(xié)議，所以首先你對(duì)創(chuàng)建正確的I/O協(xié)議和端口執(zhí)行優(yōu)化。I/O協(xié)議類型的選擇可能會(huì)影響設(shè)計(jì)優(yōu)化的可能性。如果有I / O協(xié)議的規(guī)定，應(yīng)在設(shè)計(jì)周期的早期設(shè)置I/O協(xié)議。

在lab1中，查看一下設(shè)計(jì)中的I/O協(xié)議，您可以通過導(dǎo)航找到在solution1\syn文件夾下的報(bào)告文件夾中綜合報(bào)告，可以重看一遍綜合報(bào)告，會(huì)發(fā)現(xiàn)I/O要求是：

?端口C必須有一個(gè)單端口的RAM訪問

?端口X必須有一個(gè)指示輸入數(shù)據(jù)是有效的信號(hào)

?端口Y必須有一個(gè)指示輸出數(shù)據(jù)是有效的信號(hào)

（重看了綜合報(bào)告，看見了Interface里面x,y,c等RTL 端口，但是這樣的具體要求不知道在什么地方體現(xiàn)出來，就是I/O協(xié)議方面的要求，應(yīng)該是下面紅色的圈起來的）

端口C已經(jīng)是一個(gè)單端口RAM的訪問。但是，如果你沒有明確指定的RAM訪問類型，高層次綜合可能會(huì)使用雙端口接口的RAM。HLS如果為了創(chuàng)建一個(gè)具有更高的吞吐量設(shè)計(jì)可以這樣做。如果要求是單端口的，你應(yīng)該明確地添加要求到設(shè)計(jì)的I / O協(xié)議中，要求使用單端口RAM。

輸入端口x在默認(rèn)情況下是一個(gè)簡(jiǎn)單的32位數(shù)據(jù)口。您可以通過指定的I / O協(xié)議ap_vld實(shí)現(xiàn)它與相關(guān)的數(shù)據(jù)有效信號(hào)的輸入數(shù)據(jù)端口。

輸出Y口已經(jīng)有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的輸出有效信號(hào)。這是默認(rèn)的指針參數(shù)。你沒有對(duì)這個(gè)端口指定明確的端口協(xié)議，因此就按照默認(rèn)要求去實(shí)現(xiàn)，但如果要求了，那就按照要求去實(shí)現(xiàn)。

為了保存已經(jīng)存在的結(jié)果，創(chuàng)建一個(gè)新的解決方案，命名為solution2

1. 點(diǎn)擊New Solution工具欄按鈕，創(chuàng)建一個(gè)新的解決方案

2. 保存默認(rèn)的solution2名字，不要更改任何技術(shù)或時(shí)鐘設(shè)定

3. 點(diǎn)擊完成

創(chuàng)建solution2，并將其設(shè)置為默認(rèn)的解決方案 - 確認(rèn)solution2是在資源管理器窗格中突出顯示，表示它是當(dāng)前的解決方案。

要添加優(yōu)化指令來定義所需的I / O接口的解決方案，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟。

4. 在資源管理器窗口中，打開Source包含項(xiàng)（見圖22）

5. 雙擊fir.c ,在信息窗口中打開文件

6. 激活輔助窗格中的指令選項(xiàng)卡(Directives tab)，選擇頂層函數(shù)中fir跳轉(zhuǎn)到源代碼視圖中fir函數(shù)的頂部（圖22）。

指令選項(xiàng)卡在圖22右邊展示，列出了在設(shè)計(jì)中的所有可以被優(yōu)化的對(duì)象。在指令選項(xiàng)卡中，你可以為設(shè)計(jì)添加優(yōu)化指令。只有當(dāng)源代碼是在信息窗格中打開時(shí)您才可以查看指令選項(xiàng)卡。

7. 在指令選項(xiàng)卡中，選擇C的參數(shù)/端口（綠點(diǎn)）。

8. 右擊并選擇插入指令（Insert Directives）

9. 實(shí)現(xiàn)單端口ram接口須按以下操作

a. 從該指令的下拉菜單中選擇源(RESOURCE)(為什么要選擇RESOURCE,這個(gè)下拉框中其他選項(xiàng)有什么意義，在什么情況下用，有待研究)

b. 點(diǎn)擊core框

c. 選擇RAM_1P_BRAM, 如圖23所示（這個(gè)下拉菜單中也有很多選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)在什么情況下用有待研究，不知道從什么地方可以找到相關(guān)資料）

上述步驟指定數(shù)組c是使用單端口塊RAM資源來實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)組c是函數(shù)的參數(shù)列表，因此是函數(shù)之外。自動(dòng)創(chuàng)建一組數(shù)據(jù)端口來訪問單端口RAM塊的RTL實(shí)現(xiàn)之外。

由于I / O協(xié)議是不可能改變的，你可以將這些指令優(yōu)化添加到源代碼里，作為編譯指示，以確保正確的I/ O協(xié)議嵌入到設(shè)計(jì)中。

10. 在指令編輯器(Directive Editor)中的Destination中選擇源文件（source file）。

11. 要應(yīng)用指令，單擊OK。

提示：如果你想改變?nèi)魏沃噶畹哪康模驮谥噶钸x項(xiàng)卡中的指令雙擊并修改目標(biāo)。

12. 接下來，指定端口X要有相關(guān)的有效信號(hào)/端口

a. 在指令選項(xiàng)卡中，選擇輸入端口x（綠色點(diǎn)）

b. 右擊，并選擇Insert Directives

c. 從指令編譯下拉菜單中選擇接口(Interface )

d. 從對(duì)話框的Destination中選擇Source File

e. 在mode中選擇ap_vld模式

f. 單擊OK應(yīng)用指令

13. 最后，明確指定端口Y，有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的有效信號(hào)/端口。

a. 在指令(Directive)選項(xiàng)卡中，選擇輸入端口y（綠色點(diǎn)）

b. 右擊，并選擇Insert Directives

c. 從指令編譯下拉菜單中選擇接口(Interface )

d. 從對(duì)話框的Destination中選擇Source File

e. 選擇ap_vld的模式

f. 單擊確定應(yīng)用指令

完成后，驗(yàn)證源代碼和指令選項(xiàng)卡，如圖24所示。對(duì)任何不正確的指令，用鼠標(biāo)右鍵單擊要修改它。

14. 點(diǎn)擊Run C Synthesis 工具欄按鈕，并綜合設(shè)計(jì)

15. 出現(xiàn)提示時(shí)，單擊Yes保存在C源文件中的內(nèi)容。添加指令作為編譯指示修改源代碼。

當(dāng)綜合完成后，報(bào)告文件會(huì)自動(dòng)打開。

16. 單擊多級(jí)選項(xiàng)卡，查看接口的結(jié)果，或者干脆向下滾動(dòng)到報(bào)告文件的底部。

圖25展示了擁有正確I/O協(xié)議的端口

步驟3：分析結(jié)果

在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，最重要的是理解當(dāng)前的設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示：在實(shí)驗(yàn)1中如何使用綜合報(bào)告來理解實(shí)現(xiàn)功能，然而，分析視窗提供一個(gè)互動(dòng)式的方式更加詳細(xì)。

任然以solution2為例，在圖26所示

1. 點(diǎn)擊分析按鈕(Analysis perspective button)

2. 點(diǎn)擊Shift_Accum_Loop在性能（Performance）窗口中進(jìn)行打開

?在圖26中紅色虛線的使用說明;它不是視圖的一部分

?本教程的設(shè)計(jì)分析（Design Analysis）提供了更全面的對(duì)分析觀點(diǎn)理解，但下面解釋了什么要求可以從源代碼中創(chuàng)建面積最小，速度最快的RTL設(shè)計(jì)。

?性能窗格視圖左欄顯示的RTL層級(jí)在此模塊中的操作。

?最上面一行列出了設(shè)計(jì)中的控制狀態(tài)。控制狀態(tài)是指高層次綜合的內(nèi)部狀態(tài)使用的計(jì)劃表操作成時(shí)鐘周期。RTL有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的控制狀態(tài)和最終狀態(tài)之間有密切的關(guān)系，但并不是一對(duì)一的映射。

這里給出的解釋如下紅色虛線在圖26的路徑，某些對(duì)象的位置直接相關(guān)的C源代碼。用鼠標(biāo)右鍵單擊該對(duì)象交叉引用的C代碼。

?設(shè)計(jì)開始時(shí),在第一狀態(tài)下讀取端口x

?在下一狀態(tài)中，開始執(zhí)行由for循環(huán)Shift_Accum_Loop創(chuàng)建的邏輯。循環(huán)顯示為黃色，你可以展開或折疊它們。握住鼠標(biāo)移到該視圖中的黃體循環(huán)顯示循環(huán)細(xì)節(jié)：8個(gè)周期，11次迭代，總的延遲為88周期。

?在第一狀態(tài)中，循環(huán)迭代計(jì)數(shù)檢查：添加，比較，和退出潛在的循環(huán)。

?在操作由數(shù)組綜合成的塊RAM時(shí)，讀取內(nèi)存要花費(fèi)兩個(gè)周期。（一個(gè)周期產(chǎn)生地址，一個(gè)周期讀取數(shù)據(jù)）

?把從C端口讀取的數(shù)據(jù)放到memory里

?乘法運(yùn)算需要3個(gè)周期來完成。

?一個(gè)for循環(huán)需要執(zhí)行11次

?在最后一次迭代結(jié)束時(shí)，在狀態(tài)C1退出循環(huán)并向端口Y寫入數(shù)據(jù)。您還可以使用分析器來分析在設(shè)計(jì)中使用的資源。

3. 點(diǎn)擊Resource，如圖27

4. 打開所有的資源組如圖27

圖27展示了：

?x和y是I/O端口。在報(bào)告中可以看出端口c在memory部分，因?yàn)閏是內(nèi)存接口。

?在設(shè)計(jì)中用到了兩個(gè)乘法器

?在memory shift_reg中進(jìn)行了讀寫操作

?沒有其它資源被共享，因?yàn)樵诿啃谢蛎總€(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)每次僅操作一個(gè)實(shí)例。

有敏銳的洞察力，通過分析得到，可以繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

?在結(jié)束之前的分析，這是值得評(píng)論的多周期乘法運(yùn)算，這需要多個(gè)DSP48s實(shí)現(xiàn)。源代碼使用int數(shù)據(jù)類型。這是一個(gè)32位的數(shù)據(jù)類型，它導(dǎo)致大的乘法器。一個(gè)DSP48乘數(shù)是18位的，它需要多個(gè)DSP48s乘法器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度大于18位的乘法。

本教程任意精度類型顯示了如何創(chuàng)建一個(gè)硬件更合適的數(shù)據(jù)類型的設(shè)計(jì)。使用任意精度的類型，可以定義任意位大小的數(shù)據(jù)類型。（超過標(biāo)準(zhǔn)的C / C+ +8位，16位，32位或64位的數(shù)據(jù)類型）。

步驟4：優(yōu)化最高吞吐量（最低間隔）

在本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)問題限制了吞吐量，主要有：

?for循環(huán)。默認(rèn)情況下，循環(huán)保持rolled：循環(huán)體的一個(gè)副本被綜合和用于每次迭代中。這確保了在循環(huán)的每次迭代中被順序地執(zhí)行。你可以展開for循環(huán)，讓所有操作并行發(fā)生。

?塊RAM用于shift_reg。因?yàn)樽兞縮hift_reg在C源代碼中是數(shù)組，綜合實(shí)現(xiàn)的是為一個(gè)默認(rèn)的RAM塊。然而，這可以防止其實(shí)現(xiàn)為移位寄存器。因此，您應(yīng)分區(qū)此塊內(nèi)存到單個(gè)寄存器。

開始創(chuàng)建一個(gè)新的解決方案

1. 點(diǎn)擊New Solution按鈕

2. 保存解決方案的名稱為solution3

3. 點(diǎn)擊Finish來創(chuàng)建新的解決方案

4. 在工程菜單(project)中，選擇Close Inactive Solution Tabs 來關(guān)閉先前解決方案中的打開的標(biāo)簽頁(yè)。

以下步驟，圖28中概述解釋了展開循環(huán)體

5. 在指令選項(xiàng)卡中選擇循環(huán)Shift_Accum_Loop.(提醒：源代碼必須在信息窗格中打開，就會(huì)看到在指令標(biāo)簽的所有代碼對(duì)象)

6. 右擊并選擇Insert Directives

7. 在指令下拉菜單中選擇Unroll, 保留目標(biāo)作為優(yōu)化文件。

當(dāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須經(jīng)常進(jìn)行多次迭代的優(yōu)化，確定最終應(yīng)該優(yōu)化的。通過添加優(yōu)化指令文件，可以保證它們不會(huì)自動(dòng)結(jié)轉(zhuǎn)到下一個(gè)解決方案。

存儲(chǔ)解決方案中指令文件的優(yōu)化，讓不同的解決方案有不同的優(yōu)化。已添加的優(yōu)化代碼中的編譯指示，他們會(huì)自動(dòng)結(jié)轉(zhuǎn)到新的解決方案，你將不得不修改代碼回去，然后重新運(yùn)行以前的解決方案。

保留其他選項(xiàng)的指令窗口選中空白，以確保循環(huán)完全展開。

8. 點(diǎn)擊OK應(yīng)用指令

9. 應(yīng)用指令把數(shù)組分割成單個(gè)元素

a. 在在指令選項(xiàng)卡中，選擇數(shù)組shift_reg

b. 右擊，并選擇Insert Directives

c. 從指令下拉菜單中選擇Array_Partition

d. 在type（optional）中選擇complete

e. 點(diǎn)擊OK應(yīng)用指令

嵌入在solution2代碼中的指令和增加的兩個(gè)新指令，solution3的指令窗格出現(xiàn)如圖29所示。

在圖29中，注意，在solution2里應(yīng)用的指令對(duì)編譯的指示相比較那些剛剛應(yīng)用并保存到指令文件的指令有不同的注解。您可以在Tcl文件中查看新增加的指令。

10. 在資源管理窗口，展開Solution3中的Constraint文件夾，如圖30

11. 雙擊solution3directives.tcl文件，并在信息窗口中打開

12. 點(diǎn)擊Synthesis工具欄按鈕，綜合設(shè)計(jì)。當(dāng)綜合完成，綜合報(bào)告自動(dòng)打開

13. 比較不同方案的結(jié)果

14. 點(diǎn)擊Compare Reports工具欄按鈕?；蛘哂肞roject>Compare Reports

15. 添加solution1、solution2、solution3進(jìn)行比較

16. 點(diǎn)擊OK

圖31示出的報(bào)告進(jìn)行比較。solution3具有最小的啟動(dòng)間隔和可以更快處理數(shù)據(jù)。作為間隔僅為16，它開始處理一個(gè)新的輸入集需要16個(gè)時(shí)鐘周期。

能夠在此設(shè)計(jì)執(zhí)行額外的優(yōu)化。例如，您可以使用流水線操作，以進(jìn)一步提高吞吐量和降低的時(shí)間間隔。本教程的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有關(guān)使用流水線來提高間隔的細(xì)節(jié)。

正如前面提到的，你可以修改代碼本身使用任意精度的類型。例如，如果數(shù)據(jù)類型是不要求為32位int類型，可以使用位精確類型（例如，6位，14位或22位的類型），只要它們滿足所要求的精度。有關(guān)使用任意精度類型的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱教程任意精度類型。

結(jié)論

在本教程中，您學(xué)習(xí)了如何：

?創(chuàng)建的GUI和Tcl的環(huán)境中Vivado高層次綜合項(xiàng)目。

?執(zhí)行中的HLS設(shè)計(jì)流程的主要步驟。

?創(chuàng)建和使用一個(gè)Tcl文件運(yùn)行VivadoHLS。

?創(chuàng)建新的解決方案，加上優(yōu)化的指令，并比較不同解決方案的結(jié)果。