课时1：Vitis HLS的工作机制——Vitis HLS教程

作者： BIGMAC，文章来源： 图灵研究院微信公众号

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1. 前言

Vitis HLS（原VivadoHLS）是一个高级综合工具。用户可以通过该工具直接将C、 C++编写的函数翻译成HDL硬件描述语言，最终再映射成FPGA内部的LUT、DSP资源以及RAM资源等。

用户通过Vitis HLS，使用C/C++代码来开发RTL IP核，可以缩短整个FPGA项目的开发和验证时间。

2. 使用高级综合工具来开发FPGA的优势

可以提高硬件工程师的开发效率；

对于软件工程师来说可以提高系统的性能或功能；

可以直接在C语言层面上开发算法，然后映射成HDL语言；

可以直接在C语言层面上进行验证工作；

可以通过优化指令控制C语言综合为HDL的过程；

3. Vitis HLS工作流程

Vitis HLS的工作流程如下图所示：

Vitis HLS工作主要分为两个阶段，第一个阶段为调度和控制逻辑的提取；第二个阶段为捆绑映射。

调度（Scheduling），调度主要完成的任务是判定每个时钟周期要完成哪些操作、每个操作又需要多少个时期周期来完成、以及调度等工作。

控制逻辑的提取（Control Logic Extraction），该步骤主要是生成状态机。

捆绑映射（Binding），判定每个操作需要是什么资源来实验，完成资源的过程。

4.调度（Scheduling）和捆绑（Binding）的例子

下面这段为Vitis HLS的示例代码：

图片居中使用：

根据这段代码，Vitis HLS的Scheduling和Binding方式如下图所示：

由图中可以看到，Scheduling阶段，该运算流程被分为2个时钟周期完成，第一个时钟周期完成乘加操作，第二个时钟周期完成第二次加法操作。

Binding阶段直接将第一个时钟周期的乘加操作映射为DSP资源来处理；第二个时钟周期的操作映射给另一个加法器资源来处理。

5.控制逻辑提取（Control Logic Extraction）的例子

下面这段为Vitis HLS的示例代码：

根据这段代码，Vitis HLS的ControlLogic Extraction方式如下图所示：

此代码示例执行与前一个示例相同的操作。 但是该操作处在for循环中，并且该函数有两个参数是数组形式。

从图中可以看到，Control Logic Extraction阶段根据该代码创建了状态机（FSM）来顺序完成这段代码的操作。char类型的变量被映射成8bit的数据总线，数组in或out一般默认被映射为block RAM。

该状态机总共包含4个阶段，状态机开始于C0，C0状态计算b+c的值。由于该计算流程只需要请求计算一次b+c的值，因此C0状态只执行一次。

C1状态到C3状态会重复执行3次，其中C1状态产生地址、读取数组in的值并存储到x中，同时C1状态会控制一个累加器来判断自己需要迭代重复几次C1~C3的流程。在C2状态，block RAM会返回in数组对应的值给x变量。在C3状态，完成乘加操作。

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参考文献：

[1]《Vitis High-Level Synthesis User Guide》. UG1399. Xilinx

[2]“跟Xilinx SAE学HLS系列视频讲座-高亚军 ”https://www.bilibili.com/video/av41246874