课时4：Vitis HLS中数据类型定义——Vitis HLS教程

作者：BIGMAC，来源：图灵研究院微信公众号

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1. 传统C语言支持的数据类型

其中要说明的是，Vitis HLS不支持“char16_t”以及“char32_t”这两种数据类型。

2. HLS引入了任意精度的数据类型

2. 1 为何要使用任意精度的数据类型

C语言的原生数据类型都是基于8bit为边界的（比如8、16、32、64bits）。但FPGA开发人员在RTL代码开发中经常需要用自定义位宽的数据类型，如果强制用8bit为边界的数据类型，可能会增加资源的开销和降低运算的速度。

例如实现一个18bit*18bit的乘法器，如果采用以8bit为边界的数据类型，则输入数据的长度都需要扩展定义为32bit。乘法器的输出结果需要用64bit数据来表示。这种运算对于Xilinx 7系列的FPGA来说，需要消耗4个DSP48E1单元。

2. 2任意精度的数据类型定义

在HLS中，我们可以采用以下方式来定义任意精度的数据类型：

如在C++中，可以采用“ap_[u]int”来定义一个W位宽的变量，其中[u]表示为无符号变量。

例如：ap_int<6> data；定义了一个6bit位宽的int类型变量。

注：ap为ArbitraryPrecision的缩写。

例子：对于一个18bit*18bit的乘法器，输入数据采用ap_int<18>，输出数据采用ap_int<36>。下图展示了采用传统C语言的数据类型方式（s1_native）和任意精度数据类型方式（s2_ap）的HLS编译结果。

图中结果可以明显看出，采用任意精度的解决方案（s2_ap）生成的RTL比C语言默认的数据类型解决方案（s1_native）生成的RTL时钟可以运行在更高的频率上、系统周期延迟也显著的降低、资源使用总数也显著的降低。

因此，采用任意精度数据类型，可以在获得相同精度的运算条件下，运算速度更快且使用更少的资源。

2. 3任意精度类型数据的初始化

例，对一个6bit位宽的int变量进行初始化，第一种方式为“copy intialiation”:

ap_int<6> a_6bit_var_c = -22

第二种方式为“direct initialization”：

ap_int<6> a_6bit_var_c(-22)

赋值的时候，指定数据格式方式如下：

ap_int<6> a_6bit_var_c(“0b101010”, 2)；（二进制）

ap_int<6> a_6bit_var_c(“0x2A”, 16)；（十六进制）

也可以将前缀“0b”、“0x”省略掉，如下：

ap_int<6> a_6bit_var_c(“101010”, 2)；（二进制）

ap_int<6> a_6bit_var_c(“2A”, 16)；（十六进制）

2. 4 ap_[u]fixed数据类型的介绍

ap_[u]fixed类型数据，尖括号中包含了4个参数。其中，W参数表示为数据的总位宽；I表示为数据整数部分的位宽，显然小数部分的位宽为W-I；Q为低位部分的量化模式；O为溢出模式，针对高位部分。

例如，变量定义和初始化如下

ap_[u]fixed<3, 2> var1 = 1.25;

由于1.25对应的二进制形式为0101（蓝色为整数部分，绿色为小数部分），但ap_[u]fixed<3,2>的定义相当于取了1.25的2bit整数部分，1bit的小数部分，即最终数据为010，即代表数据1。

如果定义和初始化改为如下：

ap_[u]fixed<3, 2, AP_RND> var2 = 1.25，Q参数为AP_RND，即低位采用四舍五入的方式，最终var2的二进制为011，代表数据为1.5。

3. 小结

任意精度类型的数据在不同类型之间可以进行显示或隐式转换，本文章就不一一介绍了，详细可以查看高亚军老师的HLS教学视频。

链接如下：https://www.bilibili.com/video/BV1bt41187RW?p=6

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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