在HLS中插入HDL代码
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很多人都比较反感用C/C++开发（HLS）FPGA，大家第一拒绝的理由就是耗费资源太多。但是HLS也有自己的优点，除了快速构建算法外，还有一个就是接口的生成，尤其对于AXI类接口，按照标准语法就可以很方便地生成相关接口。
那么有没有能利用HLS的优点，又囊括HDL的优点的方法呢？今天就来介绍一种在HLS中插入HDL代码的方式，结合两者的优势为FPGA开发打造一把“利剑”。
说明
接下来，将介绍如何创建 Vitis-HLS 项目并将其与自定义 Verilog 模块集成一起。
将插入两个黑盒函数 - 第一个在流水线区域（线路接口，ap_none），第二个在数据流区域（FIFO 接口，ap_ctrl_chain）。
步骤
1. 创建C/C++源文件（基于C的HLS模型+Testbench）
创建模块的 C/C++ 模型，其中包括函数源代码（模块预期行为）和测试平台（io 刺激和结果检查）。
根据ug1399-vitis-hls rtl黑盒，rtl黑盒受到几个因素的限制：
- 应该是Verilog（.v）代码。
- 必须具有唯一的时钟信号和唯一的高电平有效复位信号。
- 必须有一个 CE 信号，用于启用或停止 RTL IP。
- 可以使用 ap_ctrl_chain 或 ap_ctrl_none 块级控制协议。
- 仅支持 C++。
- 无法连接到顶层接口 I/O 信号。
- 不能直接作为被测设计（DUT）。
- 不支持结构或类类型接口。
main.cpp ——C/C++ 测试台。
#include "add.hpp" int main (void) { static uint32_t a[1024]; static uint32_t b[1024]; static uint32_t c[1024]; static uint32_t c_stream[1024]; for (uint32_t i = 0; i < 1024; ++i) { a[i] = i; b[i] = i; c[i] = 0; c_stream[i] = 0; } top_module(a, b, c, c_stream); for (uint32_t i = 0; i < 1024; ++i) { if (c[i] != a[i] + b[i]) { printf("Data does not match. %d vs %d\n", c[i], a[i] + b[i]); return -1; } if (c[i] != c_stream[i]) { printf("Data does not match. %d vs %d\n", c[i], c_stream[i]); printf("Add modules have different results.\n"); return -2; } } printf("Test succesfull.\n"); return 0; }
add.hpp——函数声明。
#ifndef ADD_HPP #define ADD_HPP #include #includevoid add(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c); void add_stream( hls::stream&a, hls::stream&b, hls::stream&c ); void scalar_to_stream(uint32_t a, hls::stream&a_stream); void stream_to_scalar(hls::stream&a_stream, uint32_t &a); void wrap(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c); void top_module(uint32_t *a, uint32_t *b, uint32_t *c, uint32_t *c_stream); #endif
add.cpp——函数源代码。
#include "add.hpp" void add(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c) { c = a + b; }; void add_stream( hls::stream&a, hls::stream&b, hls::stream&c ) { c.write(a.read() + b.read()); }; void scalar_to_stream(uint32_t a, hls::stream&a_stream) { a_stream.write(a); }; void stream_to_scalar(hls::stream&a_stream, uint32_t &a) { a = a_stream.read(); }; void wrap(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c) { #pragma HLS DATAFLOW hls::streamc_s; hls::streama_s; hls::streamb_s; scalar_to_stream(a, a_s); scalar_to_stream(b, b_s); add_stream(a_s, b_s, c_s); stream_to_scalar(c_s, c); }; void top_module(uint32_t *a, uint32_t *b, uint32_t *c, uint32_t *c_stream) { #pragma HLS INTERFACE mode=m_axi port=a depth=1024 bundle=first #pragma HLS INTERFACE mode=m_axi port=b depth=1024 bundle=second #pragma HLS INTERFACE mode=m_axi port=c depth=1024 bundle=first #pragma HLS INTERFACE mode=m_axi port=c_stream depth=1024 bundle=second #pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=return main_loop_pipeline: for (uint32_t i = 0; i < 1024; ++i) { uint32_t c_o; uint32_t const a_t = a[i]; uint32_t const b_t = b[i]; add(a_t, b_t, c_o); c[i] = c_o; } main_loop_stream: for (uint32_t i = 0; i < 1024; ++i) { wrap(a[i], b[i], c_stream[i]); } };
2. 为 Vitis HLS创建配置文件
Vitis HLS需要配置文件来构建项目。基本配置文件应包含
- Part——FPGA 部件编号。
- syn.top——顶级函数名称。
- tb.file——测试台文件。
- syn.file — HLS 中使用的文件。
在此示例中，cfg 文件的最小版本如下所示：
part=xc7z007sclg225-1 [hls] syn.top=top_module tb.file=main.cpp syn.file=add.cpp syn.file=add.hpp package.output.format=ip_catalog flow_target=vivado
3. 创建并构建最小项目
启动 Vitis，选择工作区并点击“创建 HLS 组件”。
更改组件位置和名称，单击下一步。
选择从现有配置文件创建，点击下一步。
项目结构如下所示：
无需添加额外的标志，只需仔细检查顶部函数是否是“top_module”，然后单击下一步。
选择芯片（默认部分应该是cfg文件中写的），单击下一步
确认flow_target和package.output.format，点击next。
检查摘要并单击完成。
最后运行所有步骤以确保所有配置均已配置并正常运行。
4.创建blackbox函数json
在此步骤中，我们将用 blackbox verilog 代码替换我们的添加函数。在pipeline区域：
右键单击 hls_component 并单击“创建 RTL blackbox”，将生成 JSON 文件，描述 verilog 模块与其 C 函数之间的连接。
选择包含 C 模块描述的文件。
选择端口方向并填写RTL组配置（verilog模块中的端口名称）。
选择verilog文件，如有必要再填写其他框，单击下一步。
删除 ap_ctrl_chain_protocol 字符串，保留空白。单击完成。
对 add_stream 函数重复所有这些步骤。
输入先进先出：
输出先进先出：
概括：
不要修改 ap_ctrl_chain 信号，因为该模块将使用 ap_ctrl_chain 协议。
此后，hls_component 文件夹中应该会生成两个 json 文件。
add.json
{ "c_files": [
{ "c_file": "add.cpp", "cflag": "" }
], "c_function_name": "add", "rtl_files": [ "add.v" ], "c_parameters": [
{ "c_name": "a", "c_port_direction": "in", "rtl_ports": { "data_read_in": "a" }
},
{ "c_name": "b", "c_port_direction": "in", "rtl_ports": { "data_read_in": "b" }
},
{ "c_name": "c", "c_port_direction": "out", "rtl_ports": { "data_write_out": "c", "data_write_valid": "c_vld" }
}
], "rtl_top_module_name": "add", "rtl_performance": { "II": "0", "latency": "0" }, "rtl_resource_usage": { "BRAM": "0", "DSP": "0", "FF": "0", "LUT": "0", "URAM": "0" }, "rtl_common_signal": { "module_clock": "ap_clk", "module_reset": "ap_rst", "module_clock_enable": "ap_ce", "ap_ctrl_chain_protocol_idle": "", "ap_ctrl_chain_protocol_start": "", "ap_ctrl_chain_protocol_ready": "", "ap_ctrl_chain_protocol_done": "", "ap_ctrl_chain_protocol_continue": "" }
}
add_stream.json
{ "c_files": [
{ "c_file": "add.cpp", "cflag": "" }
], "c_function_name": "add_stream", "rtl_files": [ "add_stream.v" ], "c_parameters": [
{ "c_name": "a", "c_port_direction": "in", "rtl_ports": { "FIFO_empty_flag": "a_empty_flag", "FIFO_read_enable": "a_read_enable", "FIFO_data_read_in": "a" }
},
{ "c_name": "b", "c_port_direction": "in", "rtl_ports": { "FIFO_empty_flag": "b_empty_flag", "FIFO_read_enable": "b_read_enable", "FIFO_data_read_in": "b" }
},
{ "c_name": "c", "c_port_direction": "out", "rtl_ports": { "FIFO_full_flag": "c_full_flag", "FIFO_write_enable": "c_write_enable", "FIFO_data_write_out": "c" }
}
], "rtl_top_module_name": "add_stream", "rtl_performance": { "II": "0", "latency": "0" }, "rtl_resource_usage": { "BRAM": "0", "DSP": "0", "FF": "0", "LUT": "0", "URAM": "0" }, "rtl_common_signal": { "module_clock": "ap_clk", "module_reset": "ap_rst", "module_clock_enable": "ap_ce", "ap_ctrl_chain_protocol_idle": "ap_idle", "ap_ctrl_chain_protocol_start": "ap_start", "ap_ctrl_chain_protocol_ready": "ap_ready", "ap_ctrl_chain_protocol_done": "ap_done", "ap_ctrl_chain_protocol_continue": "ap_continue" }
}
主文件夹应与此类似：
hls_config.cfg 文件应该添加两新行( syn.blackbox.file)
part=xc7z007sclg225-1 [hls] flow_target=vivado csim.code_analyzer=0 syn.top=top_module syn.blackbox.file=add.json syn.blackbox.file=add_stream.json tb.file=main.cpp syn.file=add.cpp syn.file=add.hpp
5.创建Verilog黑盒函数
函数“add”必须具有ap_none接口，并且 ap_none 作为模块接口。（有关模块接口的更多信息，请查看https://docs.amd.com/r/en-US/ug1399-vitis-hls/JSON-File-for-RTL-Blackbox 。）
根据UG1399，端口a和b是32位宽度的输入端口，输出c端口也是32位宽度，但带有额外的有效信号，我们称之为c_vld。模块还需要ap_clk，ap_ce，ap_rst端口。
Verilog 如下所示：
add.v
`timescale 1ns/1ps module add ( input [31:0] a, input [31:0] b, output [31:0] c, output c_vld, input ap_ce, input ap_rst, input ap_clk ); reg [31:0] c_d; reg c_vld_d; assign c = c_d; assign c_vld = c_vld_d; always @(posedge ap_clk) begin if (ap_rst == 1'b1) begin c_d <= 32'b0; c_vld_d <= 1'b0; end else begin c_d <= (a + b) & {32{ap_ce}}; c_vld_d <= ap_ce; end end endmodule
运行 C 综合和 C/RTL 协同仿真。能够在 HLS 模块中看到打包的 add.v 文件。
单击 hls_config.cfg 文件，在 Vitis GUI 的帮助下将 cosim.trace_level 更改为全部并运行联合仿真。
单击波形查看器。Vivado 会弹出 XSIM。
将 grp_add_fu_134 信号添加到 wcfg
函数行为很奇怪,接下来在 json 中更改黑盒函数 II，看看它如何影响仿真。打开 add.json 并将 II 更改为 10。再次运行 C 综合并重新运行 C/RTL 协同仿真。
add.v 模块是否良好且可以正常工作？其行为是否正确？模块是否正常工作由哪些因素决定？“fixing”模块对资源使用有何影响？
那么 add_stream 呢？函数位于数据流区域，并且必须包含 fifo 端口和 ap_ctrl_chain 协议。
add_stream.v
`timescale 1ns/1ps module add_stream ( input [31:0] a, input a_empty_flag, output a_read_enable, input [31:0] b, input b_empty_flag, output b_read_enable, output [31:0] c, input c_full_flag, output c_write_enable, output ap_idle, input ap_start, output ap_ready, output ap_done, input ap_continue, input ap_ce, input ap_rst, input ap_clk ); reg a_read_enable_d; reg b_read_enable_d; reg c_write_enable_d; reg [31:0] c_d; assign a_read_enable = a_read_enable_d; assign b_read_enable = b_read_enable_d; assign c_write_enable = c_write_enable_d; assign c = c_d; assign ap_idle = !ap_start; assign ap_ready = ap_start; assign ap_done = ap_start; //Flags are negated... assign flags_good = a_empty_flag && b_empty_flag && c_full_flag; assign hs_good = ap_start && ap_continue; always @(posedge ap_clk) begin if (ap_rst == 1'b1) begin a_read_enable_d <= 0; b_read_enable_d <= 0; c_write_enable_d <= 0; c_d <= 0; end else if (ap_ce == 1'b1) begin a_read_enable_d <= flags_good && hs_good; b_read_enable_d <= flags_good && hs_good; c_write_enable_d <= flags_good && hs_good; c_d <= a + b; end end endmodule
看起来放置在数据流区域的模块工作正常：
打开 add_stream.json 并将延迟更改为 10。再次运行 C 综合并重新运行 C/RTL 协同仿真。这会影响仿真吗？
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