Vivado HLS能否取代HDL開發(fā)

大多數FPGA程序員認為，高級工具總是發(fā)出更大的比特流，作為提高生產率的 "代價"。但是這總是真的嗎？

在本文中，我們展示了一個真實的例子，我們使用傳統的RTL/Verilog工具創(chuàng)建了一個普通的網絡函數（RSS），然后在相同的硬件上使用高級合成工具（HLS）來實現相同的功能。

我們發(fā)現，令人驚訝的是：HLS方法實際上使用了更少的FPGA門和內存。這好像和我們習慣的思維不太一致啊…

通過使用Vivado（Xilinx）或Intel（Quartus）工具，FPGA開發(fā)的HLS方法是只抽象出可以在C/C++環(huán)境中輕松表達的應用程序的部分。

要想在HLS取得成功，重要的是要認識到項目中哪些部分或模塊適合在HLS中實現。基本準則可以概括如下（可能描述不太清楚準確）：

目標用途一般是以高級語言開始定義的IP塊。一個數學算法會很有效，或者像我們的RSS塊那樣，一些網絡協議處理。

另一類用途是定義不明確的塊，因此可能需要多輪的實現。這里最大的好處是允許HLS工具自動對產生的本地FPGA代碼進行流水線處理，通常比快速手工編碼流水線的階段要少。另外，當需要修改手工編碼的流水線時，一個并行路徑上的延遲變化會對所有的東西產生連鎖反應。使用HLS工具自動進行第二次流水線，從頭開始，消除了這種頭痛的問題。

最后，HLS流程使不同FPGA品牌之間的代碼移植變得更加容易。這是因為HLS會自動生成適當數量的流水線階段--這是你在使用Verilog或VHDL時需要手動指定的。

目前HLS的局限性很明顯，它的范圍限于IP塊。應用團隊仍然需要其他組件的RTL。還應該注意的是，對于最簡單的代碼或主要由預先優(yōu)化的組件組成的大型設計來說，HLS是一個不太理想的選擇。

1. 用于做對比的應用，FPGA上的聯網RSS

什么是RSS？RSS是 "接收方擴展 "的意思。它是一種散列算法，用于在多個CPU上有效分配網絡數據包。RSS是現代以太網卡的一項功能，一般實現微軟定義的特定托普利茨哈希。

SmartNIC Shell框架的實施實例框圖。這里的RSS塊被替換成了HLS實現。

2. 用RTL和HLS實現RSS的結果對比

我們評估的假設如下：本地FPGA編碼總是導致最小的資源使用。然而，BittWare的一位工程師對這一決定提出了質疑，并在HLS中重新實現了RSS，以測試這一方法。他是對的，現在BittWare已經用HLS代碼取代了我們SmartNIC Shell中的RSS模塊和解析器模塊。

兩種實現方式的最大區(qū)別是Verilog/RTL版本使用了FIFO，而HLS C++版本沒有使用。我們很驚訝地看到，通過轉移到HLS，資源的使用量實際上下降了——這與我們預想的差異較大。

開發(fā)時間呢？粗略地說，我們看到原生RTL版本的時間線為一個月，而HLS代碼在一周內完成。

3. 總結

“今天的高層FPGA開發(fā)工具被設計用來減少上市時間和對硬件工程師的依賴。然而，使用這些工具總是帶來應用性能的妥協——無論是速度還是硅資源”。然而這種假設是錯誤的。

我們發(fā)現使用HLS為BittWare的SmartNIC Shell開發(fā)IP塊，將開發(fā)時間從大約一個月縮短到一周。我們還發(fā)現，它實際上使用了更少的門電路來實現。

審核編輯：湯梓紅