【原创】漫谈High Level Synthesis(HLS)

发表于 2014/8/21 23:13:43 阅读（9716）

漫谈High Level Synthesis(HLS)

水平有限，错误纰漏之处难免，欢迎网友们批评雅正。

相信FPGA的资深玩家对这个词不会陌生，印象中很多年之前这个概念就被提出来了，但是一直没有火起来。我第一次比较深入的接触HLS应该是在研究生一年级，因为我个人既懂一些C语言，又会写一点HDL代码，所以对两者交叉的部分有点兴趣，看了一些Binary Synthesis的论文和资料。

High Level Synthesis和一些基于C语言的硬件描述语言的最终目标，是让开发人员使用高级语言，例如C、C++，来实现所需要的硬件功能。HLS的愿景是很好的，毕竟高级语言抽象能力、可重用性、可读性都比HDL要好很多。如果能够使用高级语言实现逻辑开发，无疑是有许多好处的——高级语言有大量的从业人员，较完善的设计方法学，大量函数库，很多成熟优秀的算法，这些都可以帮助设计人员提高工作效率，缩短项目周期。

前几年，HLS所面临的主要问题有：如何利用有限的资源达到满意的性能、执行时间以及功耗这三方面。Vivado HLS的出现，或者说最新版本Vivado HLS的出现（Xilinx HLS也不是一年两年了，之前不太实用），宣告了这些问题已经被有效解决，老外开拓进取的精神和能力真是值得学习！

这一段时间也接触了HLS，开发流程掌握起来不难，说一下几点浅显的感受吧：

1、HLS实现软件算法的硬件加速是十分高效的

针对图像、视频处理，HLS内置了函数库，对于图像、视频处理常用的数据格式都有所定义，而且可以和OpenCV联合使用。所以，对于使用FPGA做图像、视频处理的朋友来讲，HLS是很值得尝试的。

至于FFT、FIR什么的，我觉得用支持浮点运算的CPU（ARM、DSP）去做，效率也是蛮高的，如果用FPGA去做的话，可能有点浪费资源。

2、Vivado采用了IP-XACT标准构建IP

IP-XACT规范则描述了一个XML源数据模式，用于描述IP设计块和一个应用编程接口；XPS的IP核组织结构、描述文件就复杂的多，例如有用于描述端口的mpd文件，用于描述资源文件的pao文件等等，修改IP源码的时候还需要手动修改mpd等文件，之前还特地研究了一番，写了一篇笔记。另外，使用IP-XACT之后会发现创建IP的过程较XPS和PlanAhead而言十分简便快捷，修改源码后不需要关系其他部分，Vivado采用半自动化的方式协助你完成整个IP核的更新。

所以说，就IP创建、修改和管理方面而言，Vivado完胜ISE。

3、对于一些简单的逻辑，HLS实现结果较为臃肿

一些简单的逻辑，用HDL实现只需要数十行代码，而HLS的实现结果却相当复杂。就目前的使用感受而言，HLS还无法替代HDL。当然这可能也是我没有深入接触HLS的原因，对于HLS->HDL的机制不太了解，后续还会深入学习。

4、虽然和C语言有区别，但是差别不大，上手难度适中

HLS使用的语言显然不是标准C/C++语言，应该是扩展类C/C++语言。例如可以使用int1、int7等类型定义位宽为1、7的变量；可以定义图像、视频处理中常用的rgb格式的数据：hls::rgb_8 video_data[1920][1080]。当然，也不可避免的存在可综合语句的问题，不过数量很少，对于编码的限制不是非常大，习惯就好了。

然而HLS也不是完美无暇的，还面临诸多挑战。从商业方面来看，HLS没有取得很大的成功（前几年），究其原因，有以下几点：

对于软件开发人员来说，有一套成熟的开发流程，想要将HLS开发加入到流程中，有一定的困难；要求软件开发人员使用特定的语言、编译器、或者开发环境；对于硬件开发人员来讲，需要改变思维模式，从软件的角度去设计算法，还需要学习新的开发工具和流程。

个人感觉HLS开发对从业人员的要求还是比较高的，需要软硬兼通才比较好，这算是一大问题吧。

番外：Binary Synthesis

Binary Synthesis实际上是High Level Synthesis的一种，是一种可以将编译生成的二进制文件进行综合的设计方法。Vivado HLS综合的对象是软件源码。

Binary Synthesis避免了文中所述的HLS所面临的几点挑战，Binary Synthesis综合对象是二进制文件，对二进制文件进行分析将可综合的软件（例如循环）综合成电路，利用FPGA实现硬件加速。具体的就不细说了，总而言之，对二进制文件进行综合，除了能够进行软件编码之外，对于设计人员没有额外的要求，Binary Synthesis能够自动实现硬件加速。

虽然Binary Synthesis比HLS听起来更加诱人，但其实现难度也必然更大，Binary Synthesis是否能够真正实现，还需要时间来证明~