展开循环 - 2023.2 简体中文

循环的迭代执行次数由循环归纳变量来指定。迭代次数也可能受到循环主体内的逻辑影响（例如，对循环出口变量条件应用 break 条件或修改）。您可展开循环，在 RTL 设计中创建循环主体的多个副本，从而允许并行执行部分或全部循环迭代。您可使用 UNROLL 编译指示展开循环以便增加数据访问和吞吐量。

默认情况下，HLS 循环保持处于收起状态。这意味着循环的每次迭代都使用相同硬件。展开循环意味着，循环的每次迭代都有其自己的硬件用于执行循环函数。这意味着，展开的循环的性能显著高于收起的循环。但提升性能的代价是增加面积和资源利用率。

请参阅来自 GitHub 的 basic_loops_primer 示例，如下所示：

#include "test.h"
 
dout_t test(din_t A[N]) { 
  dout_t out_accum=0;
  dsel_t x;
   
  LOOP_1:for (x=0; x<N; x++) {
      out_accum += A[x];
  }
  return out_accum;
}

下图中的“Synthesis Summary”（综合汇总）报告显示，实现以顺序方式执行，且无最优化。这可通过观察 LOOP_1 的循环次数来确认，报告称迭代次数为 10，“Latency”（时延）为 200。时延是循环可接受新的输入值之前的时间。

为了获得最优吞吐量，时延需尽可能短。为了提升性能，假定循环边界为静态，可使用 UNROLL 编译指示来完全展开循环，以创建循环主体的并行实现。在完全展开 LOOP_1 后，可见时延显著缩短 (50 ns)，如下图所示。展开循环暗示提升性能的代价是使用额外资源（如下所示，FF 和 LUT 增加）。完全展开循环还将导致循环本身消失，并被循环主体的并行实现所替代，后者将用尽额外资源，如下所示。

当然，在某些情况下，由于资源增加以及平台可用资源所限，导致无法完全展开循环。在此情况下，首选解决方案是部分展开循环，这样通常可以提升部分性能，同时无需耗用过多资源。要部分展开循环，您将需要为编译指示或指令定义展开因数。鉴于此处案例受到约束，可以接受以 2 为因数来展开相同循环（这暗示复制循环主体，循环次数减半至 5）的解决方案，如下所示。

此外，部分展开循环时，HLS 工具将在循环中实现出口检查，以防该循环次数无法被展开因数整除。如果循环次数能被展开因数整除，则跳过出口检查。