基于 FPGA的HLS技术与应用
1、hls简介
HLS （ high level synthesis ）即高层次综合，主要是利用高级编程语言实现算法。
2、循环优化
约束语法：
#pragma HLS unroll
#pragma HLS PIPELINE II=1
绝大多数循环都以串行的方式执行，这种执行方式比较浪费时间。对于串行的循环有两种优化方式，转为 并行( Unroll ) 或者是 管道( Pipeline )。
并行分为以下几种：
数据并行：对不同的数据处理。
线程并行：多线程并发处理。
指令并行：同一时间执行多条指令。
管道并行：多条指令同时执行，但不同时间执行指令的不同部分。
其中，数据并行为最理想的循环执行方式；不过大多数时候数据存在复杂的依赖关系，常采用管道并行的循环执行方式。
3、性能度量
在软件开发领域，通过使用算法复杂度 O(n)进行度量；
在FPGA中，使用启动时间间隔（ Initiation Interval ，II ）进行度量；
1、II 表示每次迭代之间的时间间隔
2、理想情况下，II = 1
3、如果 II 非常大，说明 对应的代码不能在FPGA中被展开或者pipeline。
循环依赖
在循环过程中存在内存依赖或者数据依赖都会导致操作延时，例如下面代码就存在内存4、依赖
for( ... )
{A[x] = A[y] ;
}这样的代码会导致 II 比较大，应为 A[x] 依赖于 A[y] ，对应的硬件必须等待对应的依赖关系完成之后才能完成。
4.1、 消除依赖
消除依赖是指通过算法优化或者一些技巧对 内存依赖 或者 数据依赖 进行消除，从而减小 II。
先看一段未经优化的代码：外层for每个 clk都会启动，而内层for需要外层的sum，导致循环变成串行结构。
int sum = 0 ;
for( i = 0;i < N;i++ )
{for( j = 0;j < N;j++ ){sum += A[i*N+j] ;}sum += B[i] ;
}修改如下:对于内层的for增加一个sum2，使内层for和外层for之间没有依赖，从而使串行变成 unroll or pipeline执行流程，降低代码的 II 。
int sum = 0 ;
for( i = 0;i < N;i++ )
{int sum2 = 0 ; for( j = 0;j < N;j++ ){sum2 += A[i*N+j] ;}sum += sum2 ;sum += B[i] ;
}4.2、 将 依赖放宽
先看一段未经优化的代码：假如执行一个乘的 II 为 6 ，该例存在数据依赖，消耗时间为 6N
float mul = 1.0f ;
for( i = 0 ;i < N ; i++ )
{mul = mul * A[i] ;
}修改如下：
#include "learn_for.h"#define M 6
#define N 12void learn_for(uint32 A[10])
{int i ,j ;float mul = 1.0f ;float mul_copies[M] ;loop_initialized:for( i = 0 ; i < M ; i++ ){mul_copies[i] = 1.0f ;}loop_assign_mul_cur:for( i = 0 ; i < N ; i++ ){float cur = mul_copies[M-1] * A[i] ;loop_assign_copies:for( j = M - 1 ; j > 0 ; j-- ){#pragma HLS unrollmul_copies[j] = mul_copies[j-1] ;}mul_copies[0] = cur ;}loop_assign_mul:for( i = 0 ; i < M ; i++ ){#pragma HLS unrollmul = mul * mul_copies[i] ;}
}
循环展开的优点：
1、直接利用FPGA硬件，对循环内部逻辑进行复制
2、编译器会重新分析所有的依赖，允许编译器进行最大程度的代码优化
3、降低模块的延迟
4、提高资源的利用率
5、设置端口为bram端口
#pragma HLS BIND_STORAGE variable=out_data type=ram_1p impl=bram
#pragma HLS BIND_STORAGE variable=in_data type=ram_1p impl=bram
#pragma HLS INTERFACE mode=bram port=out_data
#pragma HLS INTERFACE mode=bram port=in_data6、嵌套循环
编写嵌套循环时，需要注意的事项：
1、内层循环通常是影响性能的关键部分
2、通常情况下，大多数工作要置于内层循环
3、因 尽可能将内层循环的 II 接近 1
HLS代码优化的总体原则：
1、避免指针别名
2、最小化内存依赖
3、将嵌套循环改为单层循环
说明如下：
1、指针别名：是指多个不同的指针指向相同的内容。
注：
ARRAY_PARTITION ：用于优化数组的存储和访问，将一个大数组分割成多个小数组，以提高并行处理能力和减少访问延迟。