如何利用Vivado HLS处理许多位准确或任意精度数据类型

我们在设计硬件时，它往往是要求更精确的位宽。例如，一个filter的输入是12位和一个累加器的结果只需要一个最大范围为27位。然而对于硬件设计来说，使用标准的C数据类型会造成硬件成本的浪费。这就会造成我们要使用更多的LUT和寄存器，延迟甚至可能超过时钟周期和需要更多的周期来计算结果。这往往不是我们需要的结果。因此下面我将介绍如何利用Vivado HLS处理许多位准确或任意精度数据类型，以及允许使用任何（任意）宽度的模型变量。

C-base 数据类型

我们从硬件的角度来看数据类型，采用C/C++的数据类型都是以8bit为边界，即：
? char (8-bit)
? short (16-bit)
? int (32-bit)
? long long (64-bit)
? float (32-bit)
? double (64-bit)
? 确切的宽度的整数类型如int16_t (16-bit) 和 int32_t (32-bit)

注意：char16_t和char32_t在Vivado Hls 中是不支持的

从上面发现，C的数据位宽是比较死板的，然而描述RTL里面的位宽是任意的。

例如，采用C语言去描述一个18*18 bits的乘法器，那么就需要将输入数据都声明为32 bits（int），结果声明为64 bits(long long)，这将会在FPGA中消耗4个DSP48E1，显然这是很浪费资源的。

任意精度数据类型 Language Integer Data Type Required Header
C   [u]int< W>(1024 bits)   .#include< ap_cint.h>  
C++   ap_[u]int< W>(1024 bits)   .#include< ap_int.h>  
C++   ap_[u]fixed< W,I,Q,O,N>   .#include< ap_fixed.h>

其优点有：1.更高的时钟频率 2.更好的数据吞吐率 3.消耗资源更少
因此，使用任意精度数据类型能以更少的资源，获得相同的精度，同时可以运行在更高的时钟频率下。

注意：在声明任意数据类型的时候，我们往往在头文件里面声明，这会使得我们在做debug的时候会非常有用。

C-base 数据类型project

Step1 创建和打开project

I.打开Vivado HLS Command Prompt，按照下图输入命令

 

II.输入vivado_hls -p window_fn_prj

 

Step2 Review Test Bench 和run C Simulation
I.在Source打开window_fn_top.cpp

 

II.找到window_fn_top.h，按住Control键，并右击，打开window_fn_top.h（头文件）

 

在这里，我们可以看到，本设计所有数据类型的操作都是标准C/C++的浮点型。

III点击Run C Simulation

Step3 Run C Simulation 和 Review Results
I.点击Run C Synthesis

 

图中我们发现，顶层中的instances占用了大部分资源。

II.打开Interface Summary

 

III.点击Analysis，打开winfn_loop

 

这是浮点型乘法器（fmul），图中可以看出，第一个状态是读取内存操作（两个周期），然后是fmul操作（五个周期），最后的操作状态是一个写内存操作（一个周期）

III.退出Vivado Hls，并返回到command prompt

任意数据类型project

Step1 创建和仿真project
I.打开Vivado HLS Command Prompt，按照下图输入命令

 

II.输入vivado_hls -p window_fn_prj

III.在Source打开window_fn_top.cpp

IV.找到window_fn_top.h，按住Control键，并右击，打开window_fn_top.h（头文件）

 

这里的数据类型的操作是ap_fixed点类型，它类似于float和double（因为它们支持整数和分数位表示的类型），window_fn_top.h是唯一不同于上一个project的头文件。这些数据类型是在头文件中定义的ap_fixed。

注意：你可以通过修改C代码，将任意精度类型代替标准C类型，在这里必须做的更改是减少数据类型的大小。在这例子中，我们使用8位，24位，和18位，而不是32位浮点类型。通过较少的操作，减少面积，和更少的时钟周期就可以完成project。我们也可以改变更常见的C类型（如int，short，和char），例如，更改数据类型（18位int（32位））可以确保只要一个dsp48就可以执行任何乘法，但是你必须确认设计仍然执行正确的操作和它这样做所需的精度。由VIvado Hls提供的任意精度类型的好处是，可以仿真更新的C代码来确认其功能和准确性。

V.点击Run C Simulation

 

控制台面板显示了C仿真的结果。随着数据类型的更新，结果不再跟预期结果相同，然而他们是在误差范围内。

Step2 Run C Synthesize和 Review Results
I.点击Run C Synthesis

 

注意：通过使用任意精度类型，已经减少了延迟和面积（50%和80%），并简化了RTL硬件的操作。由于memory中的总位小于1024 bit，所以现在是自动执行LUTs和FFS而不是模块RAM。

II.打开Interface Summary

 

注意:现在的数据端口是8 bits和24 bits

III.点击Analysis，打开winfn_loop

总结

本文介绍任意精度数据类型的处理方法。通过Vivado HLs中两个project的比较，得到结论，跟C-base 数据类型相比，使用任意精度数据类型能以更少的资源，获得相同的精度，同时可以运行在更高的时钟频率下。