高层次综合器（Vivado HLS）的设计流程[原创www.cnblogs.com/helesheng]

Posted 2023-02-09 一个电子爱好者的工作记录

介绍高层次综合器（Vivado HLS）的使用流程

最近在写一本Xilinx的FPGA方面的书，现将HLS部分内容在这里分享给大家，希望大家喜欢，也欢迎批评指正。以下原创内容欢迎网友转载，但请注明出处： https://www.cnblogs.com/helesheng

下面用一个简单实例来演示使用高层次综合器进行硬件设计的流程，带领读者以点带面的掌握Vivado HLS的设计方法。

有限冲击响应滤波器，简称FIR（Finite Impulse Response）滤波器，是数字信号处理系统中最常见的算法之一。相比无限冲激响应滤波器（IIR）滤波器而言，FIR滤波器虽然计算效能较低，但它具有以下两个明显优势：

（1）严格线性相位；

（2）冲击响应长度有限，永远稳定。

可编程逻辑器件的高并行性、计算速度快的优势，正好克服了FIR滤波器计算量大的劣势。下面以FIR滤波器的实现为例，介绍HLS的开发和优化流程。实验内容及步骤如下：

1、打开Vivado HLS（Vivado HLS是一个单独的应用程序，可以不依赖于Vivado打开），如图8.2.1所示，单击开始界面的Create New Project。

图8.2.1 新建Vivado HLS工程界面

2、如图8.2.2所示，输入新建的工程名称，指定路径，单击Next。

 图8.2.2 在指定目录创建工程

3、在如图8.2.3和8.2.4所示的界面，分别添加已有的设计文件和测试脚本。（初次创建工程，可以不添加任何文件或脚本，单击Next跳过） 

 

图8.2.3 添加已有的设计文件

 

图8.2.4 添加已有的测试脚本

4、在图8.2.5所示的方案配置界面中，设置默认的时钟周期为10ns，单击Part Select区域右侧的选择按钮，并在弹出的图8.2.6所示界面中筛选工程中使用的器件。返回方案配置界面，单击Finish完成新建工程。 

 图8.2.5 配置方案界面

 

图8.2.6 选择工程中使用的器件 

5、右键单击工程主界面左侧的Explorer栏的Source，选择New File，新建一个fir.h文件和一个fir.c文件。

头文件内容：

 #ifndef FIR_H_
 #define FIR_H_
 #define N    11
 typedef int    coef_t;
 typedef int    data_t;
 typedef int    acc_t;
 void fir (
   data_t *y,
   coef_t c[N+1],
   data_t x
   );
 #endif

代码8.3

C语言源码：

 #include "fir.h"
 void fir(data_t *y,data_t x)
 
       coef_t C[N] =     53,0,-91,0,313,500,313,0,-91,0,53;
       data_t shift_reg[N];
       acc_t acc;
 int i;
   acc=0;
   Shift_Accum_Loop: 
 for (i=N-1;i>=0;i--) 
         if (i==0) 
             shift_reg[0]=x;
             data = x;
        
          else 
             shift_reg[i]=shift_reg[i-1];
             data = shift_reg[i];
       
     acc+=data*c[i];;       
   
   *y=acc;
 

代码8.4

此时Vivado HLS的界面如图8.2.7所示。

 

图8.2.7  Vivado HLS工作界面

6、单击上图界面中的Project菜单，选择Project Setting…，在弹出的图8.2.8界面左侧选择Synthesis，并在右侧的Synthesis Setting界面中配置本工程的顶层函数为fir.c文件中的fir函数，随后单击右下角的OK按钮，确认选择。 

 

 图8.2.8  配置工程的顶层函数

7、单击工程界面上方的运行C语言综合按钮（图8.2.7所示界面上方的绿色三角形按钮），Vivado HLS将对C语言源文件进行分析和综合，产生硬件描述语言的文件输出。

8、等待Vivado HLS完成综合，综合完成后会弹出图8.2.9所示的综合报告，其中显示了未做任何优化配置情况下，图8.2.7所示的C语言源码描述的有限冲击响应滤波器所占用的可编程逻辑器件资源、时钟、设计延迟、吞吐量等详细信息。

 

图8.2.9 综合报告

9、右键单击Explore栏的Test Bench，新建一个测脚本文件，命名为fir_test.c（该文件是图8.1.2所示的“C测试集文件”）。其源码如下。 

 #include <stdio.h>
 #include <math.h>
 #include "fir.h"
 int main () 
   const int    SAMPLES=600;
   FILE         *fp;
   data_t signal, output;
   coef_t taps[N] = 0,-10,-9,23,56,63,56,23,-9,-10,0,;
   int i, ramp_up;
   signal = 0;
   ramp_up = 1;  
   fp=fopen("out.dat","w");
   for (i=0;i<=SAMPLES;i++) 
       if (ramp_up == 1) 
           signal = signal + 1;
       else 
           signal = signal - 1;
     // Execute the function with latest input
     fir(&output,taps,signal);    
     if ((ramp_up == 1) && (signal >= 75))
         ramp_up = 0;
     else if ((ramp_up == 0) && (signal <= -75))
         ramp_up = 1;        
         // Save the results.
     fprintf(fp,"%i %d %d\\n",i,signal,output);
   
   fclose(fp);  
   printf ("Comparing against output data \\n");
   if (system("diff -w out.dat out.gold.dat")) 
          fprintf(stdout, "*******************************************\\n");
          fprintf(stdout, "FAIL: Output DOES NOT match the golden output\\n");
          fprintf(stdout, "*******************************************\\n");
      return 1;
    else 
          fprintf(stdout, "*******************************************\\n");
          fprintf(stdout, "PASS: The output matches the golden output!\\n");
          fprintf(stdout, "*******************************************\\n");
      return 0;
   
 

代码8.5

10、将图8.1.3中所示的“黄金参考”（即算法计算产生的标准答案）out.gold.dat文件拷贝到工程文件中。并用单击Explore栏的Test Bench，将黄金参考添加到工程中。

11、单击工程界面上方的Run C Simulation按钮，进行代码测试。根据上面的fir_test.c测试代码，若代码的运行结果与黄金参考一致，界面下方的Console窗口中将打印出PASS: The output matches the golden output! 的字样。

 

图8.2.10 C语言测试

12、至此为止，编写的代码所实现的算法如果功能正确，且在占用资源、设计延迟、吞吐量等方面都已经达到了设计目标，则可以导出高层次高层次综合器产生的硬件描述语言代码，以供Vivado在工程中调用该算法。

在Solution菜单中选择Export RTL，在弹出的界面如图8.2.11所示，选择最常用的生成IP方式导出，单击OK，Vivado HLS将产生可供Vivado调用的IP。界面下方的Console窗口中输出Finished export RTL时，就可以在…\\solution1\\impl\\ip文件夹下看到生成的IP.zip文件。 

 图8.2.11 输出硬件描述语言RTL配置界面

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