使用Python功能验证Vitis HLS内核

我们最近一直在研究的一件事是，在与Versal Devices合作时，使用Vitis开发解决方案。例如，请参阅我的项目在Vitis系统设计的Versal和使用芯片范围调试Versal设计。

在这个项目中，我们将研究如何在AIE和HLS开发中使用Vitis功能仿真。

但什么是功能模拟?在为通用设备开发时，我们通常有独立的PL或AIE设计，或者需要在组合设计中同时使用PL和AIE的异构设计。

功能仿真使我们能够在进行循环精确仿真之前验证行为和验证设计的功能正确性(Vitis子系统仿真)。

以前，我们已经能够使用x86模拟器进行AIE引擎开发，并使用C-Sim进行HLS内核功能仿真。然而，Vitis功能仿真为开发人员提供了一系列新的更高层次的抽象框架，我们可以使用这些框架执行功能仿真。

Vitis Functional Simulation，使开发人员能够使用Python或MATLAB单独或组合地模拟HLS和AIE引擎。这种使用高级框架的能力可以加快开发时间，并使功能验证与算法开发时使用的语言保持一致。

Vitis功能仿真

当使用Vitis功能仿真时，我们在设计中获得了几个好处，包括

•编译HLS内核或AIE引擎图(如果需要)。

•能力模拟和调试，因为我们正在建立的设计。

•仿真性能显著提高，使仿真运行速度更快，因此能够捕获数百万个样本来计算性能，例如信号噪声等。

由于VFS支持MATLAB和Python框架，因此VFS需要能够有效地处理Python或MATLAB原生不支持的一系列类型，例如bfloat16， mex9, float8。为了使VFS能够使用变量来转换MATLAB数组和Python Numpy数组，列表和元组。varray的工作方式类似于Python中的numpy数组或MATLAB中的数组，但将所有所需的数据类型放在一个保护伞下。

支持的数据类型，取决于所使用的框架和AIE、AIE- ml和AIE- mlv2的目标设备，下表提供了一个很好的参考。

而对于HLS内核，类型如下。

有两种方法可以实例化AIE或HLS内核对象。

•配置文件-定义构建细节，如果存在将使用的构建。如果没有一个将被编译和使用。

•键值对——定义输入文件、平台和仿真参数。然后，这些将用于创建配置文件。

在这个项目中，我们将探索使用Python流来验证HLS设计。我们可以在通用设备上这样做，但也可以在任何我们想要放置HLS IP核的设备上使用这种方法。

环境设置

要开始使用VFS，我们需要在安装了Vitis 2025.1的Linux机器上进行开发。

对于这个例子，我将使用我的一台Linux开发机器。

首先要做的是设置Vitis环境，这将允许我们的脚本根据需要调用Vitis。

在这个演示中，我将使用VSCode，因为它是开发python应用程序的流行框架。因此，我使用集成终端。

建立了Vitis环境后，下一步是确保我们拥有所有必要的附加条件。在python中，我们唯一需要的VFS是NumPy。

如果您没有，我们可以使用命令安装它

请等待NumPy安装完成。

为了检查我们是否拥有我们需要的一切，我们可以在终端中启动python3，并检查我们是否能够导入必要的python

如果没有问题，我们就可以开始创建测试应用程序了。

测试应用程序

对于这个模块，我们将编写一个简单的HLS模块，它将两个数字相加。

这将使用AXI流输入，每个输入最多可达64位，并将它们加在一起。

这段代码定义了两个实现流(FIFO通道)的输入，它们携带64位无符号不带小数位的定点数字。

结果创建一个流(FIFO通道)，它也携带64位无符号定点数。

然后将这两个输入加在一起，以创建一个结果，该结果在编译时采用该类型。

最后，将结果写入输出。

虽然简单，但这演示了我们如何在HSL IP内核上使用流接口。

VFS测试应用

VFS测试应用程序如下所示

让我们来分析一下

我们要做的第一件事是正确设置python脚本中所需的模块。

在这种情况下，我们将导入VFS模块，使我们能够支持Vitis功能仿真。该模块将为脚本提供所有必要的函数来定义HLS内核，检查其输入和输出，当然在模拟中运行HSL内核。

然后我们还需要导入数组类型，使我们能够与HLS内核共享数据。

要导入的最后一个模块是numpy，它使我们能够创建随机数数组。

导入模块后，下一步是创建HLS内核对象，在此流程中，我使用键值对方法。在这种方法中，我们提供了HLS内核的源代码，所针对的部分板和要模拟的实际HLS函数的名称。

下一步是设置我们希望生成的随机样本的数量。

然后还创建了两个NumPy数组，其中包含0到63之间的随机数。创建的随机样本的数量取决于前面定义的随机样本的数量。这使得测试平台可以根据需要进行缩放。

但是，我们需要将NumPy数组转换为一种不同的格式，以便能够将随机数应用于HLS内核。

我们使用va模块数组类型，对于我们用来将NumPy数组转换为无符号(0)，64位宽(64)和0小数的固定类型的varray，因为我们的目标是HLS内核中的ap_unit类型。

接下来的两行报告HLS内核上的输入格式和输出类型。

这应该与我们期望的类型和宽度保持一致。

最后，内核可以运行，VFS的结果可以在输出数组中捕获。当然，这将被格式化为一个数组。

然后我们可以显示输入值和输出结果，当然结果应该是两个输入值的相加。

运行模拟将显示HLS内核的编译，因为没有进行预编译。

编译完成后，将加载hlkernel，并完成Vitis功能仿真。

总结

该项目展示了如何使用Python模拟Vitis HLS内核，这为我们提供了一种非常灵活的方法，可以使用最流行的算法开发框架之一来验证功能。

本文编译自hackster.io