HLS系列 – High LevelSynthesis(HLS) 从一个最简单的fir滤波器开始 - 全文

众所周知，HLS是Xilinx于几年前推出的一个高级综合工具，可以直接把C/C++代码，转换成可综合的verilog/VHDL代码。听起来很高级，是不是？。但看新鲜的人多，愿意吃螃蟹的人却很少。这里面有很多因素在，比如担心HLS的效率，对C/C++不熟悉（或者说对verilog/vhdl更熟悉），项目时间太紧……，等等原因。但不管怎样，高层次综是未来硬件系统设计的的一个趋势方向。如果作为工程师的我们，还不赶快转变思维跟上这一变革，那很快就out啦 ~\(≧▽≦)/~。

接下来的这个系列里面，就让我们一点一点的解开HLS的面纱。为了循序渐进的展开，作为一个引子，让我们先从最简单的FIR滤波器例子开始。

FIR滤波器是很常见的一种数字信号处理电路。我们看看用c代码如何描述一个FIR滤波器：

其头文件fir.h的内容为：

把这段代码添加到HLS（2014.2）新建的工程里面，设定好器件（A7）和目标时钟频率（100Mhz），然后其它都采用默认的设置，不添加任何控制综合过程的directive约束，我们点击一下综合按钮，就可以很轻易得到其对应的verilog代码。是不是很简单：）不考虑代码资源速度等因素，任何工程师都可以轻而易举的从C代码得到其对应的verilog。

我们把结果中最重要的一些信息摘要出来：

1. 先看一下综合出来的代码的样子

接口简介明了，详细展开来说：
A． C代码里面的x输入，直接映射成rtl代码里面的input [31:0] x；
B． C代码里面的y输出，映射成rtl的输出y和y_ap_vld；
C． C代码里面的系数C[N]输入，映射成rtl代码里的ram类型接口：输出c_address0, c_ce0, 和输入c_q0；
D． rtl代码里的ap_clk, 和ap_clk虽然在C代码里面没有对应，但这是每个rtl系统必不可少的；
E． rtl代码里的ap_start, ap_done,ap_idle, ap_ready信号，在C代码里面也没有直接对应，这是综合工具自动添加的函数控制流程，它其实模拟了C代码里面fir函数的进入和推出机制。如果我们不需要这些控制信号，在综合的时候，可以加约束控制HLS不生成这些接口。

2. 其次看下资源消耗

总的资源消耗不多，我们重点看2个地方：

A．DSP48E用了8个，为什么是这样呢？其实从c代码里面可以找到答案，这是原始的c代码里面有2个地方用到了2个乘法：

每个乘法运算消耗4个DSP48E，这是为什么呢？其实也很简单，因为在c代码里面所有的操作都定义为32为整形int，而32x32的整形运算，需要用4个DSP48E来搭建。

B．有59个LUT用作了memory，如果熟知Xilinx FPGA结构的工程师，会认出来，这是Xilinx FPGA的distributedmemory。问题是，为什么会需要用到这样的电路结构呢？也要从c代码里面去寻找：

这段c代码的含义是，把数组shift_reg静态初始化为0。因此，在HLS输出的rtl代码里面，就用一个初始值都为0的ROM模拟了这一行为：

而构建这一ROM的资源，就是使用的LUT。

看一下延迟

A. Latency指的是从第一个x输入，到第一个y输出，所要经过的clock cycle数。在此为67，这是怎么得来的呢？其实很简单，因为我们实现的是一个11阶的fir滤波器，c代码里面有一个循环次数为11的for loop，对应的rtl代码，默认也是采用的串行处理方法实现的，每个loop需要6个clock cycle处理，所以总共需要6x11=66个clock cycle，然后再加上输出的一拍寄存，所以一共需要67个clock cycle才能得到输出结果。
B. Interval指的是从第一个x输入，到允许第二个x输入，中间所要经过的时间间隔。在此为68，即latency+1。

至此，我们粗略的深入到c和对应的rtl代码内部，了解到了HLS工具转换的大致过程。HLS的翻译过程是很直接的，有什么样的C，我们基本上就能得到与其相对应的rtl。

当然，上面用HLS转换得到的rtl代码，肯定不是最优的，在未来的几章里面，我们将会看到如何修改C代码，配合添加相应的directive约束，来得到更优的rtl代码。