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碎碎思 · 7月16日

在HLS中插入HDL代码

FPGA

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”。

image.png

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 <cstdint>
#include <hls_stream.h>
void add(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c);
void add_stream(
    hls::stream<uint32_t> &a,
    hls::stream<uint32_t> &b,
    hls::stream<uint32_t> &c
);
void scalar_to_stream(uint32_t a, hls::stream<uint32_t> &a_stream);
void stream_to_scalar(hls::stream<uint32_t> &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<uint32_t> &a,
    hls::stream<uint32_t> &b,
    hls::stream<uint32_t> &c
) {
    c.write(a.read() + b.read());
};
void scalar_to_stream(uint32_t a, hls::stream<uint32_t> &a_stream) {
    a_stream.write(a);
};
void stream_to_scalar(hls::stream<uint32_t> &a_stream, uint32_t &a) {
    a = a_stream.read();
};
void wrap(uint32_t a, uint32_t b, uint32_t &c) {
#pragma HLS DATAFLOW
    hls::stream<uint32_t> c_s;
    hls::stream<uint32_t> a_s;
    hls::stream<uint32_t> b_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”。

image.png

更改组件位置和名称，单击下一步。

image.png

选择从现有配置文件创建，点击下一步。

image.png

项目结构如下所示：

image.png

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。

image.png

选择芯片（默认部分应该是cfg文件中写的），单击下一步

image.png

确认flow_target和package.output.format，点击next。

image.png

检查摘要并单击完成。

image.png

最后运行所有步骤以确保所有配置均已配置并正常运行。

image.png

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：

image.png

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。

image.png

选择包含 C 模块描述的文件。

image.png

选择端口方向并填写RTL组配置（verilog模块中的端口名称）。

image.png

image.png

选择verilog文件，如有必要再填写其他框，单击下一步。

image.png)

删除 ap_ctrl_chain_protocol 字符串，保留空白。单击完成。

image.png

对 add_stream 函数重复所有这些步骤。

输入先进先出：

image.png

输出先进先出：

image.png

概括：

image.png

image.png

不要修改 ap_ctrl_chain 信号，因为该模块将使用 ap_ctrl_chain 协议。

image.png

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：

image.png

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）

image.png

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。

image.png

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。

image.png

单击波形查看器。Vivado 会弹出 XSIM。

image.png

将 grp_add_fu_134 信号添加到 wcfg

image.png

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。

image.png

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：

image.png

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？

相关文件链接：

https://github.com/bartokon/hls/tree/main/rtl-blackbox
作者：碎碎思
原文：OpenFPGA

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