Vivado HLS能否取代HDL开发

大多数FPGA程序员认为，高级工具总是发出更大的比特流，作为提高生产率的 "代价"。但是这总是真的吗？

在本文中，我们展示了一个真实的例子，我们使用传统的RTL/Verilog工具创建了一个普通的网络函数（RSS），然后在相同的硬件上使用高级合成工具（HLS）来实现相同的功能。

我们发现，令人惊讶的是：HLS方法实际上使用了更少的FPGA门和内存。这好像和我们习惯的思维不太一致啊…

通过使用Vivado（Xilinx）或Intel（Quartus）工具，FPGA开发的HLS方法是只抽象出可以在C/C++环境中轻松表达的应用程序的部分。

要想在HLS取得成功，重要的是要认识到项目中哪些部分或模块适合在HLS中实现。基本准则可以概括如下（可能描述不太清楚准确）：

目标用途一般是以高级语言开始定义的IP块。一个数学算法会很有效，或者像我们的RSS块那样，一些网络协议处理。

另一类用途是定义不明确的块，因此可能需要多轮的实现。这里最大的好处是允许HLS工具自动对产生的本地FPGA代码进行流水线处理，通常比快速手工编码流水线的阶段要少。另外，当需要修改手工编码的流水线时，一个并行路径上的延迟变化会对所有的东西产生连锁反应。使用HLS工具自动进行第二次流水线，从头开始，消除了这种头痛的问题。

最后，HLS流程使不同FPGA品牌之间的代码移植变得更加容易。这是因为HLS会自动生成适当数量的流水线阶段--这是你在使用Verilog或VHDL时需要手动指定的。

目前HLS的局限性很明显，它的范围限于IP块。应用团队仍然需要其他组件的RTL。还应该注意的是，对于最简单的代码或主要由预先优化的组件组成的大型设计来说，HLS是一个不太理想的选择。

1. 用于做对比的应用，FPGA上的联网RSS

什么是RSS？RSS是 "接收方扩展 "的意思。它是一种散列算法，用于在多个CPU上有效分配网络数据包。RSS是现代以太网卡的一项功能，一般实现微软定义的特定托普利茨哈希。

SmartNIC Shell框架的实施实例框图。这里的RSS块被替换成了HLS实现。

2. 用RTL和HLS实现RSS的结果对比

我们评估的假设如下：本地FPGA编码总是导致最小的资源使用。然而，BittWare的一位工程师对这一决定提出了质疑，并在HLS中重新实现了RSS，以测试这一方法。他是对的，现在BittWare已经用HLS代码取代了我们SmartNIC Shell中的RSS模块和解析器模块。

两种实现方式的最大区别是Verilog/RTL版本使用了FIFO，而HLS C++版本没有使用。我们很惊讶地看到，通过转移到HLS，资源的使用量实际上下降了——这与我们预想的差异较大。

开发时间呢？粗略地说，我们看到原生RTL版本的时间线为一个月，而HLS代码在一周内完成。

3. 总结

“今天的高层FPGA开发工具被设计用来减少上市时间和对硬件工程师的依赖。然而，使用这些工具总是带来应用性能的妥协——无论是速度还是硅资源”。然而这种假设是错误的。

我们发现使用HLS为BittWare的SmartNIC Shell开发IP块，将开发时间从大约一个月缩短到一周。我们还发现，它实际上使用了更少的门电路来实现。

审核编辑：汤梓红