優化 FPGA HLS 設計

用工具用 C 生成 RTL 的代碼基本不可讀。以下是如何在不更改任何 RTL 的情況下提高設計性能。

介紹

高級設計能夠以簡潔的方式捕獲設計，從而減少錯誤并更容易調試。然而，經常出現的問題是性能權衡。在高度復雜的 FPGA 設計中實現高性能需要手動優化 RTL 代碼，而這對于HLS開發環境生成的 RTL 代碼來說是不可能的。

然而，存在一些解決方案，可以通過使用 FPGA 工具設置優化設計本身來最大限度地減少性能損失。

高效找到正確的 FPGA 工具設置

盡管設計人員知道 FPGA 工具設置的存在，但這些設置往往沒有得到充分利用。通常，只有在出現設計問題時才使用工具設置。然而，對于已達到性能目標的設計，還有額外10% 至 50% 性能改進的巨大潛力。

上面的核心問題在于選擇正確的工具設置，因為不同的 FPGA 工具提供 30 到 70 種用于綜合和布局布線的設置。可能的組合太多了。可以編寫腳本來創建不同的運行并嘗試推薦的標準指令/策略。

最后一個挑戰問題是計算能力不足。典型的嵌入式應用程序是在單臺計算機上設計的。運行多個編譯需要更多的計算能力。這是與時間的權衡。如果可以同時運行更多（使用云）綜合策略，周轉時間將會更短。

如何優化高級設計 - Sobel 濾波器

Sobel 濾波器是視頻處理中常用的參考設計。該參考設計針對具有 Dual ARM? Cortex?-A9 MPCore? 的 FPGA。

我們使用 Xilinx HLS 工具來打開此設計。

它的時鐘周期為 5.00 ns，即 200 MHz。從時序估計（見下文）來看，它仍然缺少 506 ps 的時序，這相當于 181 MHz，比目標速度低 10%。

導出到 RTL 項目

在不更改 C++ 代碼的情況下，將設計導出到 RTL 中的 Vivado 項目中。在“解決方案”下，選擇“導出 RTL”。

它將在后臺執行 Vivado 并生成項目文件 (XPR)。它還應該編譯設計，并且應該在控制臺中看到實際的時序詳細信息。完成后，在/solution/impl/verilog/文件夾中找到項目文件。

找到一個 XPR 文件。可以通過Vivado打開它來驗證它，可以看到生成的RTL源碼。

優化時序

下一步是使用名為InTime 的設計探索工具。（同樣，可以自己編寫腳本來嘗試 Vivado 工具中提供的標準指令或策略）可以使用免費評估許可證在本地運行 InTime 。或者，使用一些免費積分和預裝 FPGA 工具注冊 Plunify云帳戶。

啟動InTime后，打開項目文件。當提示要使用的 Vivado 版本時，請使用“相同”的 Vivado 版本。例如，如果使用2017.3 HLS，請使用2017.3 Vivado。

選擇“熱啟動”。“熱啟動”是基于之前其他設計經驗的推薦策略列表。

單擊“Start Recipe”開始優化。如果在云上運行，則應同時運行多個編譯以減少時間。

優化過程和結果

在第一輪（“熱啟動”）之后，最好的結果是“hotstart_1”策略。然而，它仍然缺少-90ps 的時序。

我們對“HotStart_1”的結果應用了名為“Extra Opt Exploration”的第二個秘訣。這側重于優化關鍵路徑。這是一種迭代優化，只要每次迭代都顯示出改進，就會不斷重復。如果達到時間目標或未能顯示出改進，它最終將自動停止。

經過兩輪優化，共15次編譯，該設計能夠滿足200Mhz的性能目標。這是無需對 RTL 源代碼進行任何更改即可實現的。

更高水平的性能

要達到更高的性能水平，需要在所有方面進行優化——架構設計、代碼和工具。工具設置探索可以克服更高級別設計的性能權衡，而不會失去它首先帶來的生產力優勢。這對于高級設計師來說是雙贏。