HLS Stream案例分析

思考空间

对于如图11所示的顶层函数，HLS会将其接口综合成何种形式？

图11 形参为stream的顶层函数

对于顶层函数，如果形参类型为hls::stream，HLS会将其综合为ap_fifo类型的接口。

这里，我们看一个HLS Stream应用案例。顶层函数top由两个底层函数read_data和handle_data构成，其中read_data主要功能是从输入stream上获取特定数据；handle_data的主要功能则是对获取的数据进行处理。这里主要是为了说明stream的使用方法，所以，请大家把关注点放在stream的定义、函数之间的参数传递以及相应的directive的设置等。实际上，read_data和handle_data是可以合并的。

图1 头文件

图2 read_data源代码

图3 handle_data源代码

图4 top源代码

从图2和图3的代码中可以看到，从流中读取数据可以用>>或read()，向流中写入数据可以用 << 或write()。同时，在使用 << 或 >> 时，并不需要添加#include 。

首先，执行C功能仿真，仿真结束时会出现如图5所示的warning。

图5 C Simulation时出现的warning

第二步，不设置任何directive，直接执行C综合，此时会显示如下错误信息。该信息表明，在非dataflow区域使用默认的FIFO规模（这个FIFO是因为stream而生成的，默认深度为1）,会导致Deadlock。根据提示我们修改这个FIFO的深度。之后，重新执行C综合和C/RTL Cosimulation，均可通过。

图6 修改FIFO深度

第三步，进一步优化，可以看到这两个底层函数是可以应用dataflow以降低latency。具体设置如图7所示。执行C综合，综合结束时会显示如图8所示信息。[HLS214-111]显示静态变量和非静态Stream不能在同一个DATAFLOW区域中使用，故需要对top.cpp第4行进行修改，只需添加static关键字，如图9所示。再次综合，该warning即被消除。

图7 设置DATAFLOW

图8 C综合后显示的warning

图9 添加static关键字

如果只设置DATAFLOW，而不设置FIFO深度，C综合是可以通过的，但执行C/RTL Cosimulation时，会显示如图10所示错误信息。可以判断与FIFO的读写相关。这通常是因为出现了FIFO写满或者FIFO读空，从而造成DEADLOCK。从这个角度而言，先设置一个solution，不用进行任何directive的设置，执行C综合，尽可能地修复所有的warning。这个阶段给出的warning及修复建议更具体、更具有针对性。

图10 C/RTLCosimulation错误信息

第四步，进一步优化，由于数组key深度只有8，可以完全打散，用register代替，具体设置如图11所示。

图11 Array partition

至此，我们创建了3个Solution：

Solution 1: 设置FIFO深度

Solution 2: 设置FIFO深度 + 设置DATAFLOW

Solution 3: 设置FIFO深度 + 设置DATAFLOW + ARRAY PARTITION

3个Solution综合后的性能对比如图12所示。

图12 性能对比

从这个案例我们可以得出如下结论：

-流用于内部函数间的参数传递时，会被综合为深度为1的FIFO

-当流数据被综合为FIFO时，由于默认深度为1，可能会在C/RTLCosimulation时出现DEADLOCK

-先创建一个没有任何directive的Solution执行C综合，尽可能地解决此时出现的warning或者错误，这也是UFDM所倡导的设计思想。