FPGA高层次综合HLS(一)-Vitis HLS介绍

Vitis HLS介绍及工作流程

高层次综合（High-level Synthesis）简称HLS，指的是将高层次语言描述的逻辑结构，自动转换成低抽象级语言描述的电路模型的过程。

对于AMD Xilinx而言，Vivado 2019.1之前（包括），HLS工具叫Vivado HLS，之后为了统一将HLS集成到Vitis里了，集成之后增加了一些功能，同时将这部分开源出来了。Vitis HLS是Vitis AI重要组成部分，所以我们将重点介绍Vitis HLS。

为了创建可编程逻辑内核，Vitis V++ 编译器能够将 OpenCL、C/C++ 和 RTL 编译到AMD Xilinx对象 (.xo) 文件中，然后将它们链接到AMD Xilinx二进制 (.xclbin) 中用于可编程逻辑。

FPGA bit流创建流程

与主机开发流程（正常开发流程）结合使用时，我们可以使用 Vitis IDE 对我们的应用程序进行自上而下的加速。

但是，查看 FPGA bit流创建流程，我们还可以使用 HLS 或 RTL 从下到上创建加速内核。

这种自下而上的流程使我们能够专注于复杂的内核算法，验证其性能并确保可编程逻辑实现过程的优化 途径是最佳的。

这种方法还可以更好地与团队方法一起使用，并且可以创建可跨多个项目使用的加速内核库（IP）。另一个优点是应用于可编程逻辑实现的优化驻留在 .xo 文件中，无需在每次使用算法时重新进行优化。

Vivado HLS 正是为此流程而构建，Vitis HLS包含在 Vitis 安装的 bin 目录中。

同时Xilinx GitHub （https://github.com/Xilinx/HLS-Tiny-Tutorials）上还有许多 Vitis HLS 教程项目。

GitHub教程

这些教程涵盖了开始开发有效内核所需的一切，包括算法开发、编码风格、接口和内存架构等方面。

如果我们使用的是 Windows，我们可以通过输入以下命令从 Xilinx 软件命令行工具调用 Vitis HLS：

vitis_hls

在 Linux 系统中，在运行安装目录中的设置脚本settings64.sh后，我们可以在终端窗口中使用相同的命令。

调用Vitis HLS

Vitis HLS 加载和欢迎页面。

Vitis HLS 加载和欢迎页面

我们可以通过从 GitHub 克隆或下载 ZIP 文件来使用这些示例。如果我们探索一个示例库，我们将找到支持该示例的源代码和 TCL 文件。

循环函数示例的内容

我们可以通过切换到该目录并从 Linux 终端或 XSCT （windows）运行这些示例：

vitis_hls -f run_hls.tcl

这将以命令行模式运行该项目并综合。

运行Vitis HLS示例

命令运行完成后，将看到一个包含解决方案和项目文件的新目录（Vitis HLS工程）。

要探索设计，我们可以使用已打开的 Vitis GUI 导航到示例项目目录。

打开 GUI 后，将看到一个基于 Eclipse 的工作区，它看起来类似于 Vivado HLS，但存在细微差别。

Vitis HLS图形界面

在 GUI 中，我们可以浏览综合报告、调试应用程序并分析RTL的实现。

默认情况下，实现过程将设置为生成基于 RTL 的解决方案，但如果我们希望使用自下而上的流程，并在 Vitis 中实现加速功能并生成 Xilinx 对象，我们应该怎么做？

我们可以检查解决方案设置下的选项- Vitis 自下而上设计。

设置Vitis HLS自下而上流程

当我们接下来执行综合时，我们不仅会看到 Verilog 和 VHDL 实现，还会看到包含内核描述的 XML 文件。

一旦我们对算法的性能感到满意，我们就可以导出 Xilinx需要的对象。在这种情况下，我们使用了教程项目中的一个简单示例，它非常简单且很小。

从导出 RTL 对话框中，选择 Vitis 内核选项来代替正常的 Vivado IP。

导出内核

Xilinx 对象将导出到设置的位置。

xo文件导出

现在我们可以将获取的 XO 文件包含在我们的一个或多个 Vitis 设计中。当然，如果我们需要硬件实现，我们也可以将 IP 导出到 Vivado。

RTL与HLS强强联合打造FPGA新开发之路

从上面的一个示例我们看到了，Vitis大大方便了整个FPGA开发流程，减少了设计周期，虽然目前与Verilog/SV/VHDL实现的硬件在资源方面还是有很大差距，但是很多公司一直在致力于这方面的实现，毕竟这是一个趋势。那么目前HLS真的一无用处吗？

答案是否定的，合理运用HLS的强大数据处理能力，能达到事倍功倍的效果，毕竟目前FPGA资源都是过剩的。

RTL与HLS强强联合打造FPGA新开发之路：只需要把两者结合好；RTL做控制，HLS做数据流计算这样的组合才跑得欢快~

PS:不知道大家注意没，Vivado中很多官方/第三方IP都是使用HLS搭建的，尤其在视觉图像、数字信号处理等方面。

总结

这是《FPGA高层次综合HLS》系列教程开篇，后面会按照专题继续更新，文章有什么问题，欢迎大家批评指正~感谢大家支持。