【原创】自己设计简单算法，进一步熟悉HLS

发表于 2014/8/5 12:44:42 阅读（8122）

设计简单算法，Vivado HLS初体验后续

1、前言：

《Vivado HLS初体验》一文中，使用别人设计的yuv_filter demo文件新建工程，添加了文件，基本掌握了新建工程和算法仿真的流程，由于没有完全按照现有的教程进行学习，所以对整个流程有了较好的理解。接下来，为了更好地理解HLS的设计方法，我打算自己设计一个简单的c算法和c testbench，对接下来的几个流程，如综合、RTL仿真、IP打包等，进行学习。

2、目标：

u 对C函数进行综合

u 查看RTL仿真结果

u 将设计封装成IP

3、准备工作：

新建工程就不多说了，我们这里设计一个最简单的组合逻辑电路：2选1选择器。

Top function：mux21

mux21.c源码如下：

#include "mux21.h"
int1 mux21(int1 sig_a, int1 sig_b, int1 select)
{
    if(0==select)
       return sig_a;
    else
       return sig_b;
}

mux21.h内容为：

#include <ap_cint.h>

ap_cint.h这个头文件的包含，是为了使用int1类型，int1表示1位整型数。

testbench mux21_tb.c源码为：

#include <stdio.h>
#include "mux21.h"

int main(void)
{
	int1 res1 = 0;
	int1 res2 = 0;

	res1=mux21(1,0,0);
	res2=mux21(0,1,1);

	if(res1 && res2)
		printf("test passed, well done!\n");

	return 0;
}

这些代码都很简单，就不多做解释了，代码编写完成后，Run C Simulation，发现测试通过，打印如图1所示。

图1 C仿真结果

注意：编写代码时，发现错误，修改了之后，IDE可能不会自动检测，这里可以尝试使用Index功能，IDE会检测改动，消除错误提示。

举个例子：我使用了int1类型，但是没有包含ap_cint.h文件，显示效果如图2所示。

图2 错误提示

这时，就算我修改代码，包含了ap_cint.h文件，错误提示依旧存在。需要手动Index C source，提示才会消除。操作如图3所示：Project > Index C Source，或者点击工具栏中的快捷按钮，图3红色方框内的图标。

图3 Index C Source

4、对算法进行综合

4.1、综合

如图4所示，在菜单中寻找命令：Solution > Run C Synthesis > Active Solution，点击Active Solution菜单，HLS会自动完成综合工作。

图4 综合指令

此外，还可以直接点击工具栏中的快捷按钮（图5红色方框内），在下拉菜单中选择“Active Solution”命令，也能够启动综合进程。

图5 综合指令快捷按钮

4.2、查看综合结果

进入工程文件夹，找到综合文件夹，查看所综合出的HDL代码，文件结构如图6所示。

图6 目录结构

rpt文件显示“General Information（基本信息）”、“Performance Estimates（性能估算）”、“Utilization Estimates（资源利用估算）”、“（Interface接口）”等信息。

verilog文件夹下是综合出来的.v文件，vhdl文件夹下综合出来的是.vhd文件，打开mux21.v，代码为：

`timescale 1 ns / 1 ps
(* CORE_GENERATION_INFO="mux21,hls_ip_2014_2,{HLS_INPUT_TYPE=c,HLS_INPUT_FLOAT=0,HLS_INPUT_FIXED=1,HLS_INPUT_PART=xc7z020clg484-1,HLS_INPUT_CLOCK=10.000000,HLS_INPUT_ARCH=others,HLS_SYN_CLOCK=1.370000,HLS_SYN_LAT=0,HLS_SYN_TPT=none,HLS_SYN_MEM=0,HLS_SYN_DSP=0,HLS_SYN_FF=0,HLS_SYN_LUT=0}" *)
module mux21 (
        ap_start,
        ap_done,
        ap_idle,
        ap_ready,
        sig_a,
        sig_b,
        select_r,
        ap_return
);
parameter    ap_const_logic_1 = 1'b1;
parameter    ap_const_logic_0 = 1'b0;
input   ap_start;
output   ap_done;
output   ap_idle;
output   ap_ready;
input  [0:0] sig_a;
input  [0:0] sig_b;
input  [0:0] select_r;
output  [0:0] ap_return;
assign ap_done = ap_start;
assign ap_idle = ap_const_logic_1;
assign ap_ready = ap_start;
assign ap_return = ((select_r)? sig_b: sig_a);
endmodule //mux21

主要功能语句：

assign ap_return = ((select_r) ? sig_b : sig_a);

由于这个设计过于简单，ap_start、ap_ready、ap_done、ap_idle以及ap_return信号的作用不太能体现出来，从命名来看，主要是用于控制模块工作的信号。

vhdl文件不多说了，一样的功能。

5、RTL仿真

5.1、HLS GUI操作

Solution > Run C/RTL Cosimulation，仿真完成后，需要在Vivado下查看仿真结果。

注意：Dump Trace选项要选择all，否则不会产生波形数据，位置如图7所示。

图7 Dump Trace

5.2、Vivado GUI操作

打开Vivado，在tcl控制台下键入以下指令：

cd E:/hls/mux21/solution1/sim/verilog/

current_fileset

open_wave_database mux21.wdb

open_wave_config mux21.wcfg

注释：

更改路径

加载工程

加载仿真数据

打开波形窗口

图8 仿真结果

注意：此处的仿真结果和我们之前编写的C Testbench文件是对应的，因此，C Testbench要别编写的有针对性，才能很好地体现模块的功能。

我们这个Testbench编写的不够好，编写两个不同频率的方波分别作为sig_a、sig_b，这样仿真才可以更好地体现mux21的功能。习惯了用HDL编写Testbench，换到C还有点不习惯……

6、封装为IP

Solution > Export RTL,或者点击工具栏快捷按钮，打开Export RTL对话框，如图9所示。

图9 Export RTL

命令行会打印提示整个IP封装过程，如图10所示。

图10 IP封装打印信息

如图11所示，IP封装完成后，solution1文件夹下会出现impl文件夹，该文件夹下包含ip、verilog、vdhl三个子文件夹，在这些文件夹中，我们可以找到封装过程中生成的文件。

图11

7、结束语

至此，我们完成了利用HLS工具进行算法设计的全过程。IDE使用方面就不多说了，还是比较方便的。

从使用HDL进行逻辑开发的设计员角度来讲，使用HLS完成算法设计还不太习惯，比如说：C Testbench的编写和HDL Testbench的编写有一定的差异；使用C语言设计算法的时候，还是会先考虑用HDL怎么写，然后把HDL翻译成C；C设计算法时，会考虑什么样的语句能综合出时钟电路，怎么写才能综合出自己想要的电路等等。这些都是设计思维的问题，是HDL语言和高级语言的设计思维方式不同，习惯了HDL设计电路，乍接触高级语言设计电路，还不习惯，在思维的高度需要做一些转变。