设计简单算法体验Vivado HLS的使用

前言

本文主要讲解了使用Vivado HLS设计简单C语言的二选一选择器算法的硬件HLS开发的全流程，包括工程创建-算法验证和仿真-算法综合-RTL仿真-IP封装等步骤。

参考网站：

http://blog.chinaaet.com/cuter521/p/36069

http://blog.chinaaet.com/cuter521/p/36119

公司想要将立体匹配的算法进行硬件实现，无奈本人硬件小白一枚，看了基于verilog硬件实现的相关文档之后还是找不到感觉，其实FPGA进行硬件实现功能也挺强大的，手边有zedboard开发板，正好看到可以使用Vivado可以将c/c++转换为FPGA实现，最让人惊喜的是还有HLS图像库，和opencv比较相似，果断选择了Vivado，只是还需要从头开始！加油！

内容：

1. 熟悉Vivado HLS的使用以及开发流程；

2.使用Vivado HLS进行C/C++算法的仿真验证；

3.对C语言的算法进行综合，查看RTL方则很难结果，并将设计进行IP封装；

操作步骤：

1.新建工程

2.添加设计资源文件

3.C代码仿真验证

4.算法综合-自动生成verilog等其他文件

5.RTL仿真以及查看波形

6.IP封装

操作过程：

1.新建工程

双击Vivado HLS打开HLS；

单击“Create New Project”，打开新建工程向导，第一个界面如下图所示。

谨慎起见，将工程名和设计的模块名保持一致，设置完毕后，点击Next，进入下面的界面。

建立空工程，先不添加，进入工程之后再自行添加设计文件，点击Next，进入如下图所示的测试文件添加界面。

直接跳过点击Next，进入下一界面，如下图所示。

这一步需要进行设置，否则Finish按钮一直是灰化的，不能生成工程。红色方框内的提示可以看出，这里是选择所用芯片的型号的。点击绿色椭圆内的按钮，进入芯片选择对话框，如下图所示。

这里不用多说，两种方式，一种好似逐一选择Family, Package, Speed Grade等参数，直到定位到你想要的芯片，如下图所示。

另一种方法是直接选择开发板，如下图所示。

选择完成后点击OK，返回发现part部分已经选中Zedboard开发板，Finish按钮可用。点击Finish按钮完成向导，进入HLS主界面，如下图所示。

 2.添加设计资源文件

 2.1添加设计文件

选中左侧Explorer子窗体下的Source目录，邮件，弹出Add/New Files菜单，点击添加资源文件，如下图所示(注：有些图因为当时没有保存，直接借用原作者的图)。

Top Function：mux21

mux21源码如下：

#include "mux21.h"
 
int1 mux21(int1 sig_a, int1 sig_b, int1 select)
{
    if(==select)
       return sig_a;
    else
       return sig_b;
}

mux21.h的内容是：

#include <ap_cint.h>

ap_cint.h这个头文件的包含，是为了使用int1类型，int1表示1位整型数。

注意：.h文件是不用添加的，HLS会自动包含相应的头文件，但是路径要正确。

2.2添加测试文件和数据

单击Test Bench目录，添加测试文件和数据，添加文件夹时，需要选择“Add Folder…”选项。如果把测试文件添加到Source目录中，编译会产生问题。

testbench mux21_tb.c源码为：

#include <stdio.h>
#include "mux21.h"
 
int main(void)
{
    int1 res1 = ;
    int1 res2 = ;
 
    res1=mux21(,,);
    res2=mux21(,,);
 
    if(res1 && res2)
        printf("test passed, well done!\n");
 
    return ;
}

2.3设置工程属性

选中mux21文件夹，右击，弹出如下图所示的菜单。

点击Project Setting，进入设置界面，如下图所示。

点击Synthesis，进入下图所示的界面。

3.C代码仿真验证

在菜单栏中找到Project > Run C Simulation命令，或者直接单击工具栏中的按钮（如下图所示），编译和执行C程序。

编译过程以及执行结果会在主界面下方的Console自选项卡中打印显示，如下图所示。

注意：编写代码时，没有正确包含 .h文件，不能进行C代码的仿真和验证。发现错误，修改了之后，IDE可能不会自动检测，这里可以尝试使用Index功能，IDE会检测改动，消除错误提示。

使用了int1类型，但是没有包含ap_cint.h文件，显示效果如下图所示。

这时，就算修改代码，包含了ap_cint.h文件，错误提示依旧存在。需要手动Index C source，提示才会消除。操作如下图所示：Project > Index C Source，或者点击工具栏中的快捷按钮，下图所示红色方框内的图标。

4.算法综合-自动生成verilog等其他文件

 如下图所示，在菜单中寻找命令：Solution > Run C Synthesis > Active Solution，点击Active Solution菜单，HLS会自动完成综合工作。

此外，还可以直接点击工具栏中的快捷按钮（下图红色方框内），在下拉菜单中选择“Active Solution”命令，也能够启动综合进程。

接下来就可以进入工程文件夹，找到综合文件夹，查看所综合出的HDL代码，文件结构如下图所示。

rpt文件显示“General Information（基本信息）”、“Performance Estimates（性能估算）”、“Utilization Estimates（资源利用估算）”、“（Interface接口）”等信息。

verilog文件夹下是综合出来的.v文件，vhdl文件夹下综合出来的是.vhd文件，打开mux21.v，代码为：

`timescale  ns /  ps
(* CORE_GENERATION_INFO="mux21,hls_ip_2014_2,{HLS_INPUT_TYPE=c,HLS_INPUT_FLOAT=0,HLS_INPUT_FIXED=1,HLS_INPUT_PART=xc7z020clg484-1,HLS_INPUT_CLOCK=10.000000,HLS_INPUT_ARCH=others,HLS_SYN_CLOCK=1.370000,HLS_SYN_LAT=0,HLS_SYN_TPT=none,HLS_SYN_MEM=0,HLS_SYN_DSP=0,HLS_SYN_FF=0,HLS_SYN_LUT=0}" *)
module mux21 (
        ap_start,
        ap_done,
        ap_idle,
        ap_ready,
        sig_a,
        sig_b,
        select_r,
        ap_return
);
parameter    ap_const_logic_1 = 'b1;
parameter    ap_const_logic_0 = 'b0;
input   ap_start;
output   ap_done;
output   ap_idle;
output   ap_ready;
input  [:] sig_a;
input  [:] sig_b;
input  [:] select_r;
output  [:] ap_return;
assign ap_done = ap_start;
assign ap_idle = ap_const_logic_1;
assign ap_ready = ap_start;
assign ap_return = ((select_r)? sig_b: sig_a);
endmodule //mux21

主要功能语句：

assign ap_return = ((select_r) ? sig_b : sig_a);

由于这个设计过于简单，ap_start、ap_ready、ap_done、ap_idle以及ap_return信号的作用不太能体现出来，从命名来看，主要是用于控制模块工作的信号。

5.RTL仿真以及查看波形

Solution > Run C/RTL Cosimulation，仿真完成后，需要在Vivado下查看仿真结果。

注意：Dump Trace选项要选择all，否则不会产生波形数据，位置如下图所示。

  打开Vivado，在tcl控制台下键入以下指令

  (TCL控制台从哪里打开)：打开vivado编译工具，在主页面的下方有TCL控制台TCL console；

cd E:/hls/mux21/solution1/sim/verilog/

current_fileset

open_wave_database mux21.wdb

open_wave_config mux21.wcfg

注释：

更改路径

加载工程

加载仿真数据

打开波形窗口

生成的波形如下图所示：

6.IP封装

Solution > Export RTL,或者点击工具栏快捷按钮，打开Export RTL对话框，如下图所示。

命令行会打印提示整个IP封装过程，如下图所示。

IP封装完成后，mux21文件夹下会出现impl文件夹，该文件夹下包含ip、verilog、vdhl三个子文件夹，在这些文件夹中，我们可以找到封装过程中生成的文件。

7.结论

本渣只是根据cuter的博客练习使用Vivado，其实还没有使用到HLS，所以本博客的大部分内容是重复的，只是本渣自己实现了整个过程，当然在这个过程中也遇到了一些其他的问题，所以总结一下，留作以后的参考。

做的过程中很多图没有截下来，直接拿过来使用了，望勿喷！可交流！

当然，这离HLS的实现还有好远！

完