高層次綜合（HLS）中融入HDL代碼：加速硬件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)踐

隨著硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性的不斷增加，高層次綜合（HLS）技術(shù)已成為加速設(shè)計(jì)流程、提高設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵手段。HLS允許設(shè)計(jì)師使用高級(jí)編程語(yǔ)言（如C、C++）來(lái)描述硬件行為，然后通過(guò)綜合工具將這些描述轉(zhuǎn)化為底層的硬件描述語(yǔ)言（HDL）代碼，如Verilog或VHDL。然而，在某些特定場(chǎng)景下，設(shè)計(jì)師可能需要在HLS設(shè)計(jì)中直接插入HDL代碼，以實(shí)現(xiàn)特定的硬件優(yōu)化或加速特定功能。本文將深入探討在HLS中插入HDL代碼的方法、優(yōu)勢(shì)以及實(shí)際案例，并附上相關(guān)代碼示例。

一、HLS與HDL的融合背景

HLS技術(shù)的出現(xiàn)，極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)流程，使設(shè)計(jì)師能夠更專注于算法和功能實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需過(guò)多關(guān)注底層的硬件細(xì)節(jié)。然而，HLS工具在綜合過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些非最優(yōu)的硬件實(shí)現(xiàn)，特別是在處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)路徑和控制邏輯時(shí)。此外，某些特定的硬件優(yōu)化（如自定義的數(shù)據(jù)通路、流水線優(yōu)化等）可能難以通過(guò)HLS工具直接實(shí)現(xiàn)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)師通常需要在HLS設(shè)計(jì)中插入HDL代碼，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定部分的精確控制。通過(guò)融合HLS和HDL，設(shè)計(jì)師可以在保持設(shè)計(jì)靈活性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高的硬件性能和更低的資源消耗。

二、HLS中插入HDL代碼的方法

在HLS中插入HDL代碼通常有兩種方法：內(nèi)聯(lián)HDL代碼和外部HDL模塊。

內(nèi)聯(lián)HDL代碼：這種方法允許設(shè)計(jì)師在HLS代碼中直接嵌入HDL代碼段。這通常通過(guò)特定的語(yǔ)法或指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，如Vivado HLS中的#pragma HLS INTERFACE指令或Xilinx Vitis HLS中的#pragma HLS PIPELINE等。這些指令可以指導(dǎo)HLS工具如何處理嵌入的HDL代碼段，以確保正確的綜合和映射。

外部HDL模塊：在這種方法中，設(shè)計(jì)師將部分硬件功能實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立的HDL模塊，然后在HLS代碼中通過(guò)接口調(diào)用這些模塊。這要求HLS工具支持與外部HDL代碼的集成，并能夠正確解析和映射這些模塊的接口。

三、實(shí)際案例與代碼示例

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的案例，展示了如何在Vivado HLS中通過(guò)內(nèi)聯(lián)HDL代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義的加法器模塊。

cpp

// HLS頂層C代碼  

#include "ap_int.h"  

// 聲明自定義加法器模塊的接口  

extern "C" {  

   void custom_adder(ap_int<32> a, ap_int<32> b, ap_int<32>& sum);  

}  

void hls_top_function(ap_int<32> in1, ap_int<32> in2, ap_int<32>& out) {  

   // 調(diào)用自定義加法器模塊  

   custom_adder(in1, in2, out);  

}

verilog

// 自定義加法器模塊的Verilog實(shí)現(xiàn)  

module custom_adder(  

   input [31:0] a,  

   input [31:0] b,  

   output [31:0] sum  

);  

   assign sum = a + b;  

endmodule

在Vivado HLS中，設(shè)計(jì)師需要將上述Verilog代碼作為外部模塊添加到項(xiàng)目中，并通過(guò)#pragma HLS INTERFACE指令指定模塊的接口。然后，在HLS頂層C代碼中，通過(guò)extern "C"聲明來(lái)引用該模塊。

四、優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

在HLS中插入HDL代碼的優(yōu)勢(shì)在于：

提高硬件性能：通過(guò)精確控制硬件實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)鐘頻率和更低的延遲。

降低資源消耗：通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)通路和控制邏輯，可以減少FPGA上的LUT、FF等資源的占用。

實(shí)現(xiàn)特定功能：對(duì)于某些HLS工具難以直接綜合的特殊功能（如自定義的算術(shù)邏輯單元、存儲(chǔ)器接口等），可以通過(guò)HDL代碼實(shí)現(xiàn)。

然而，這種方法也面臨一些挑戰(zhàn)：

設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加：需要在HLS和HDL之間切換，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

調(diào)試難度提高：由于HLS和HDL代碼之間的交互，調(diào)試過(guò)程可能更加困難。

工具支持限制：不是所有的HLS工具都支持在HLS代碼中插入HDL代碼，或者對(duì)插入的HDL代碼有嚴(yán)格的限制。

綜上所述，在HLS中插入HDL代碼是一種強(qiáng)大的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以顯著提高硬件設(shè)計(jì)的性能和效率。然而，設(shè)計(jì)師需要權(quán)衡其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，并根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求做出明智的選擇。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以充分發(fā)揮HLS和HDL各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的硬件設(shè)計(jì)。