高层次综合（HLS）中融入HDL代码：加速硬件设计的创新实践

随着硬件设计复杂性的不断增加，高层次综合（HLS）技术已成为加速设计流程、提高设计效率的关键手段。HLS允许设计师使用高级编程语言（如C、C++）来描述硬件行为，然后通过综合工具将这些描述转化为底层的硬件描述语言（HDL）代码，如Verilog或VHDL。然而，在某些特定场景下，设计师可能需要在HLS设计中直接插入HDL代码，以实现特定的硬件优化或加速特定功能。本文将深入探讨在HLS中插入HDL代码的方法、优势以及实际案例，并附上相关代码示例。

一、HLS与HDL的融合背景

HLS技术的出现，极大地简化了硬件设计流程，使设计师能够更专注于算法和功能实现，而无需过多关注底层的硬件细节。然而，HLS工具在综合过程中可能会产生一些非最优的硬件实现，特别是在处理复杂的数据路径和控制逻辑时。此外，某些特定的硬件优化（如自定义的数据通路、流水线优化等）可能难以通过HLS工具直接实现。

为了克服这些挑战，设计师通常需要在HLS设计中插入HDL代码，以实现对特定部分的精确控制。通过融合HLS和HDL，设计师可以在保持设计灵活性的同时，实现更高的硬件性能和更低的资源消耗。

二、HLS中插入HDL代码的方法

在HLS中插入HDL代码通常有两种方法：内联HDL代码和外部HDL模块。

内联HDL代码：这种方法允许设计师在HLS代码中直接嵌入HDL代码段。这通常通过特定的语法或指令来实现，如Vivado HLS中的#pragma HLS INTERFACE指令或Xilinx Vitis HLS中的#pragma HLS PIPELINE等。这些指令可以指导HLS工具如何处理嵌入的HDL代码段，以确保正确的综合和映射。

外部HDL模块：在这种方法中，设计师将部分硬件功能实现为独立的HDL模块，然后在HLS代码中通过接口调用这些模块。这要求HLS工具支持与外部HDL代码的集成，并能够正确解析和映射这些模块的接口。

三、实际案例与代码示例

以下是一个简单的案例，展示了如何在Vivado HLS中通过内联HDL代码来实现一个自定义的加法器模块。

cpp

// HLS顶层C代码  

#include "ap_int.h"  

// 声明自定义加法器模块的接口  

extern "C" {  

   void custom_adder(ap_int<32> a, ap_int<32> b, ap_int<32>& sum);  

}  

void hls_top_function(ap_int<32> in1, ap_int<32> in2, ap_int<32>& out) {  

   // 调用自定义加法器模块  

   custom_adder(in1, in2, out);  

}

verilog

// 自定义加法器模块的Verilog实现  

module custom_adder(  

   input [31:0] a,  

   input [31:0] b,  

   output [31:0] sum  

);  

   assign sum = a + b;  

endmodule

在Vivado HLS中，设计师需要将上述Verilog代码作为外部模块添加到项目中，并通过#pragma HLS INTERFACE指令指定模块的接口。然后，在HLS顶层C代码中，通过extern "C"声明来引用该模块。

四、优势与挑战

在HLS中插入HDL代码的优势在于：

提高硬件性能：通过精确控制硬件实现，可以实现更高的时钟频率和更低的延迟。

降低资源消耗：通过优化数据通路和控制逻辑，可以减少FPGA上的LUT、FF等资源的占用。

实现特定功能：对于某些HLS工具难以直接综合的特殊功能（如自定义的算术逻辑单元、存储器接口等），可以通过HDL代码实现。

然而，这种方法也面临一些挑战：

设计复杂性增加：需要在HLS和HDL之间切换，增加了设计的复杂性。

调试难度提高：由于HLS和HDL代码之间的交互，调试过程可能更加困难。

工具支持限制：不是所有的HLS工具都支持在HLS代码中插入HDL代码，或者对插入的HDL代码有严格的限制。

综上所述，在HLS中插入HDL代码是一种强大的设计技术，可以显著提高硬件设计的性能和效率。然而，设计师需要权衡其带来的优势与挑战，并根据具体的应用场景和需求做出明智的选择。通过合理的设计和优化，可以充分发挥HLS和HDL各自的优势，实现更高质量的硬件设计。