认识高层次综合的调度与绑定 - 2023.2 简体中文

高层次综合工具用于将未定时的高层次规范转变为完全定时的实现。在此变换期间，会通过实现定制架构来满足规范要求。生成的架构包含数据路径、控制逻辑、存储器接口以及 RTL 与外部世界的通信方式。数据路径由一组存储元素（例如，寄存器、寄存器文件或存储器）、一组功能单元（例如，ALU、乘法器、移位器和其他定制功能）以及互连元素（例如，三态驱动器、多路复用器和总线）组成。每个组件的执行都需耗时一个或多个时钟周期、可采用流水打拍并且可包含输入或输出寄存器。此外，完整数据路径和控制器在多个阶段内均可流水打拍。

设计师应将工程初期部分用于重新定义算法架构，以满足性能，同时将算法保持在较高层次。任何特定 HLS 工具都有设计原则和最佳实践，必须遵循这些原则和最佳实践才能生成满足目标性能的最优化 RTL。

HLS 工具会执行下列任务，如下图所示。

1. 对编写的算法进行编译以满足规范：该步骤包含多项代码最优化，例如，死码消除、常量折叠、报告不受支持的构造等。
2. 调度给定时钟周期的运算：

   1. “Schedule”（调度）阶段用于基于下列条件来判定每个时钟周期内发生的运算：

      • 运算的依赖关系何时已得到满足或者变为可用。
      • 时钟周期长度或时钟频率。
      • 运算完成所需时间（由目标器件来定义）。时钟周期越长，单个时钟周期内可完成的运算越多。部分运算可能需要作为多周期资源来实现。HLS 会将运算自动调度到多个时钟周期内
      • 可用资源。
      • 整合任意用户指定的最优化指令。
   2. 在“Schedule”阶段内，本工具会判定将在给定周期内执行的运算符以及所需组件的数量。下一步是判定运算与对应资源之间的绑定。
3. 将运算绑定到功能组件，将变量绑定到存储元素
   1. 绑定任务会分配硬件资源用于实现调度的每项运算，并将运算符（例如，加法、乘法和移位）映射到特定 RTL 实现。例如，mult 运算可在 RTL 内作为组合乘法器或流水打拍乘法器来实现。
   2. 绑定任务会将存储器和/或寄存器分配到函数内的阵列变量以满足目标性能。
   3. 如果多项运算使用相同资源，那么此步骤可执行资源共享，前提是不在同一个周期内使用。
4. 控制逻辑抽取可创建有限状态机 (FSM)，根据定义的调度按顺序执行 RTL 设计中的运算。
5. 创建逻辑以与外部世界进行通信：生成的 RTL 将与外部世界进行通信，例如，对来自外部端口或起始/停止逻辑的数据进行串流，或者访问外部存储器。
6. 最后，生成 RTL 架构

下一章按概念逐步讲解了 HLS 工具基于输入约束（例如，时钟周期）调度运算符以及将运算符绑定到可用硬件资源的总体方式。