关于优化FPGA HLS设计的分析和介绍

用软件从 C 转化来的 RTL 代码其实并不好理解。今天我们就来谈谈，如何在不改变 RTL 代码的情况下，提升设计性能。

本项目所需应用与工具：赛灵思HLS、Plunify Cloud 以及 InTime。

前言
高层次的设计可以让设计以更简洁的方法捕捉，从而让错误更少，调试更轻松。然而，这种方法最受诟病的是对性能的牺牲。在复杂的FPGA设计上实现高性能，往往需要手动优化 RTL 代码，这也意味着从 C 转化得到 RTL 基本不可能。其实，使用 FPGA 工具设置来优化设计可以最小限度地减少对性能的牺牲，这种方法是存在的。

高效地找到合适的FPGA工具设置
尽管工程师们知道 FPGA 工具的设置，但是这些设置往往并没有充分利用。一般而言，工具设置只有在出现时序问题的时候才会派上用途。然而，对于已经达到性能目标的设计来说，如果继续调整工具设计，仍然有10%-50%的性能提升潜力。

真正的难点在于选择正确的工具设置，毕竟各种 FPGA 工具一般都有有30-70个不同的布局布线设置，可选的设置组合实在是太多了。您可以写脚本来运行不同的推荐指令/策略。市面上也有工具，来自动管理并运行设计探索。

另一个难点就是不充裕的计算能力。典型的嵌入式应用是在单台电脑上设计的。运行多个编译需要更多的计算能力，这就要求更多的时间。如果您可以（使用云计算）并行运行，周转时间就会变短。

如何优化高层次的设计 - “Sobel滤镜”项目
该设计的功能是 Sobel 滤镜，目标器件是拥有双核DualARM® Cortex®-A9MPCore 的 FPGA。

我们使用赛灵思 HLS 来打开这个设计。

图一：参考设计– Sobel滤镜

它的时钟周期是5.00ns，也就是200MHz。从下图的时序预估中可以看出，它离时序目标还差506ps（181MH1），也就是比目标速率还差10%。

图二：当前时序结果

导出成 RTL 项目
不需要改变C++代码，把设计输出成一个RTL 的 Vivado 项目。在 “Solution”下面，选择“Export RTL”。

图三：从HLS输出Vivado项目

它会在后台执行 Vivado，并生成一个项目文件（XPR）。它同时也会编译设计，您应该在控制台（Console）看到真实的时序细节。一旦完成，您可以在 /solution/impl/verilog/ 文件夹下找到项目文件。

图四：Vivado 项目文件

找到这个 XPR 文件之后，您可以用 Vivado 打开它来验证。您将看到生成好的 RTL 源文件。

图五：从 HLS 生成的 RTL

时序优化
下一步，是使用 InTime 设计探索工具，当然，您也可以自己写脚本来尝试 Vivado 工具中自带的指令和策略。请申请 InTime 的免费试用在本地运行，也可以注册一个 Plunify Cloud 云平台的账户，试用所提供的免费云币来在云端运行预置好的 FPGA 工具。

启动 InTime 之后，打开项目文件。在选择 Vivado 版本时，请使用“相同的”版本。例如，如果您使用2017.3 HLS，请选择2017.3 Vivado。

选择“Hot Start”配方（recipe）。此配方包含一系列更具以往其他设计的经验而推荐的策略。

图六：选择 "Hot Start" 配方

点击“Start Recipe”来开始优化。如果您在云端运行，您应该并行运行多个编译来减少周转时间。

优化过程和结果
第一轮结束之后 (“Hot Start”配方），最好的结果是“hotstart_1”策略。然而，它仍然距离目标时序90ns。

我们在“HotStart_1”的结果上使用了第二个配方，叫做“Extra Opt Exploration”。这一轮将集中优化关键的路径。这是一次迭代优化，并且只要仍有提升，就不断地重复自己。如果达到时序目标或者不再提升的时候，它就会停止。

图七：仅通过工具设置完成时序收敛

经过两轮优化，总共15此编译后，设计达到了目标时序，200MHz。而这一切完全没有修改 RTL 源代码。

让性能更进一步
让性能更进一步需要各方面的优化 – 结构设计、代码和工具。工具设置的探索可以克服高层次设计的性能牺牲，并且不会让生产效率的好处减少。对于高层次设计的工程师来说，这是一种共赢。