Vivado HLS 入门实验

当我们安装好Vivado 的时候，也同时装好了Vivado HLS.。这是个什么东西？我就有一种想一探究的感觉。网上一查，Vivado High-Level Synthesis。学习了一段时间的Zynq 7000，找了一个HLS的教程，就开始了如下入门实验，体验高级语言综合设计IP。Vivado HLS是Xilinx 推出的高层次综合工具，采用C/C++语言进行FPGA设计。HLS提供了一些样例方便大家熟悉其开发流程。另外关于HLS的使用介绍，Xilinx官方提供了2个重要开发文档ug871 和 ug902。里面详细介绍了包括怎么建立HLS 工程，怎么编写Testbench,怎么进行优化等问题。在HLS软件界面，在右侧有个directive，里面列出了程序中所有用到的变量，函数和循环结构，点右键可以给其配置。

对循环结构，一般选择 unroll（即展开循环），可以自己设定展开因子 factor。为提高程序的并行化处理，可以给函数选择 PIPELINE。对应数组，可以设置为 ARRAY_PARTITION,数组维数可以自己设定。 HLS 软件其实很智能的，简单的结构，一般软件自己会优化好。每一个优化方案都保存在一个 Solution 里， HLS 可以创建多个 Solution，用于比较不用的优化效果。

如同软件开发都是从“ Hello Wrold！ ” 进入编程的大门一样，这一个实验我们就通过 HLS 封装一个移位流水灯的程序，包括工程的创建，仿真，综合，封装，以及在硬件平台上的实现，来熟悉HLS的开发流程。

本文参考了米联的zynq 修炼秘籍网手版。

实验代码和工程的下载：

链接: https://pan.baidu.com/s/1WJ-EkX5lx14DClZc8UadkA 提取码: t8xh

1：HLS工程建立

打开 Vivado HLS 开发工具，单击 Creat New Project 创建一个新工程，设置好工程路
径和工程名，一直点击 Next 按照默认设置，

出现如下图所示界面，时钟周期 Clock Period 按照默认 10ns，Uncertaintly 和 Solution
Name 均按照默认设置，点击红色圆圈部分选择芯片类型，然后点击 OK。下图示是选择好后的界面。

下面是选择芯片型号的界面。根据你自己的硬件选择，我的是如图

工程建立完后的界面是这样的。下面就是导入工程里用到的源文件。

需要在工程添加3个源文件。都可以在文件开头介绍的下载地址下载。右键点击source , Add Files 分别添加shift_led.cpp 和 shift_led.h。右键点击Test Bench , Add Files 添加Test_shift_led.cpp.

添加完成后效果如下：

shift_led.h 代码内容：

#ifndef _SHIFT_LED_H_
#define _SHIFT_LED_H_
//
#include "ap_int.h"
//#define MAX_CNT 10000/2 //仿真时可以用这个代替下面的行介绍仿真等待时间
#define MAX_CNT 100000000/2
#define SHIFT_FLAG MAX_CNT-2

//typedef int led_t;
typedef ap_fixed<4,4> led_t; // 1st: total width. 2nd: integer width
void shift_led(led_t *led_o,led_t led_i);
#endif

shift_led.cpp 代码内容：

#include "shift_led.h"
void shift_led(led_t *led_o,led_t led_i)
{
   led_t tmp_led=led_i;
   int i;   //for cycle variables
   for(i = 0;i < MAX_CNT;i++)
   {
       if(i==SHIFT_FLAG)
       {
           //tmp_led = ((tmp_led>>7)&0x01) + ((tmp_led<<1)&0xFE);//left shift 8
           tmp_led = ((tmp_led>>4)&0x01) + ((tmp_led<<1)&0xFE);//left shift 4
           *led_o = tmp_led;
       }
   }
}

Test_shift.led.cpp 代码内容：

#include "shift_led.h"
#include <stdio.h>

using namespace std;
int main()
{
   led_t led_o;
   led_t led_i=0xfe;
   const int SHIFT_TIME =8 ;
   int i;
   for(i=0;i<SHIFT_TIME;i++)
   {
       shift_led(&led_o,led_i);
       led_i = led_o;
       char string[25];
       itoa((unsigned int)led_o & 0xf,string,2);
       fprintf(stdout,"shift_out=%s\n",string);
   }
}

2：工程综合

工程综合前，需要设置 Top Function。

点击 Project-> Project Settings ，也可以点击红箭所指那样的快捷键。

出现如下界面，在Syntheses 界面下选择综合的顶层函数名。

因为当前工程中只存在一个Solution, 我们选择Solution ->Run C Sytheses -> Active Solutions 进行综合，菜单旁有个快捷键的图标，所以也有快捷可以直接点取：

在未经优化的情况下综合报告如图所示，出现这个界面需要把上下条拉到合适位置，并收起Latency (Clock cycles)。

3：优化和添加约束

在原文中， led_t tmp_led=led_i; 最开始是int ，然后把他定义为4位整数。我这里一开始就是这样，也就没有什么优化了。

但这里做一下他的约束添加，或者也是优化的内容。

在主页面里，点击如下3出红箭，如果不是这个界面。选择文件 shift_led.cpp 文件，选择 synthesis, 选择 directive。

这里把led_o 设置为输出，右键点击led_o 出现Insert Drrective.. ，选择后如下界面：

选择 INTERFACE mode 选择 ap_ovld。

同样对led_i 进行基本相同的工作，mode 选择 ap_vld。

进行如上操作后，看看源程序出现的变化。还有Directive 的变化。

优化和约束就说这么多。

3: 仿真实现

菜单Project -> Run C Simulation 或者点击快捷键（看菜单旁图示），就开始 C 仿真：

仿真运行的情况是这样的：

4：波形仿真（如果不熟悉ModelSim 就跳过这一节）：

在这之前需要运行Vivado 的编译仿真库，我是开始这个试验前就做了这个设置。

打开Vivado 后，菜单 Tools -> Compile Simulation Libraries...

出现对话框后，选择Simulator 为 ModelSim, 选择编译库的位置，看红箭。

做好设置后，点击Compile 就开始生成仿真库。

如果做好了上面的仿真库编译准备，就可以开始看波形仿真了。

菜单Solution -> Run C/RTL Cosimulation 运行C协同仿真。做了如图所示选择。

运行C 协同仿真一段时间后，就可以防线在solution 1目录下多了一个sim 文件夹，在其verilog 文件夹下看到生成的波形文件shift_led.wlf 文件。

利用ModelSim 打开该文件。在Objects 下选择需要显示的波形信号, Add wave 到波形显示里。

波形显示就是这样的。

这就是波形仿真。

5： HLS代码封装

通过前面的实验，我们进行了HLS的工程创建，仿真，但这只是把算法实现从C 到RTL的转换。下面我们开始把其打包成IP，在硬件平台上进行测试，也方便Vivado 进行调用，应用。

菜单 Solution -> Export RTL 也可以点快捷（菜单图示）。

在弹出的对话框中，点击Configuration 对一些参数进行输入，修改，然后点击OK。

Configuration 的对话框设置。

点击2次OK 之后，就开始IP 打包封装。

运行结束后，就在solution1 目录下多了一个impl 文件夹，并且在0等待一段时间后在 solution1 目录下多了一个 impl 文件夹，并且在ip 文件夹中生成了一个压缩包，这就是我们需要的打包好的IP。

6 测试和应用：

打开Vivado，新建一个工程，工程名为test_shift_led。

在Project Manager 中点击 Project Settings。

在这解压刚才建立的IP 压缩包到一个新建的文件夹里，这是在文件管理器里完成的。

选择IP 设置区的 Repository Manager 页面，然后点击+号，下面图示是添加后的结果。

进行了以上设置后，开始添加我们的IP包。

点击Project Manager 下的IP Catalog 。在右边的IP Catalog 里点开User Repository，然后选择我们建立的IP，显示的是shifted_led_4bits。这和我们添加其他的ip 是一样的。

可以设置下IP，名字为shift_led_0

在这个对话框里选择Generate

现在右键 Design Sources ,添加shift_led.v 文件，可以在下载链接出获取。右键Constraints，添加led
的约束文件。特别注意这个约束文件必须和你硬件的led 引脚定义一致。

看看下图，ip取名和程序中必须一致，就是左边和右边。

shift_led.v 的代码如下（如果不想下载，也可以复制）：

`timescale 1ns / 1ps
module shift_led
#(
    parameter DATA_WIDTH = 4
    )
   (
   input                        i_clk,
   input                        i_rst_n,
   output reg [DATA_WIDTH-1:0] led
    );

reg             [1:0] cnt      ;
reg [DATA_WIDTH-1:0] led_i_V ;
wire                   ap_start ;
wire                   led_i_vld;
wire [DATA_WIDTH-1:0] led_o_V ;

always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)begin
   if(i_rst_n == 1'b0)
       cnt <= 2'd0;
   else if(cnt[1]==1'b0)
       cnt <= cnt + 1'b1;
end

always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)begin
   if(i_rst_n == 1'b0)
       led_i_V <= 2'd0;
   else if(cnt[0]==1'b1)
       led_i_V <= 8'h1;//
   else if(led_o_vld == 1'b1)
       led_i_V <= led_o_V;
end

always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)begin
   if(i_rst_n == 1'b0)
       led <= 1'b0;
   else if(led_o_vld == 1'b1)
       led <= led_o_V;
end

assign ap_start = cnt[1];
assign led_i_vld = cnt[1];

shift_led_0 u_shift_led_0(
                          .led_o_V_ap_vld (led_o_vld),// output wire led_o_vld
                          .led_i_V_ap_vld (led_i_vld),// input wire led_i_vld
                          .ap_clk          (i_clk    ),// input wire ap_clk
                          .ap_rst          (~i_rst_n ),// input wire ap_rst
                          .ap_start        (ap_start ),// input wire ap_start
                          .ap_done         (         ),// output wire ap_done
                          .ap_idle         (         ),// output wire ap_idle
                          .ap_ready        (         ),// output wire ap_ready
                          .led_i_V         (led_i_V ),// output wire [7 : 0] led_o_V
                          .led_o_V         (led_o_V ) // input wire [7 : 0] led_i_V
                          );

endmodule

zynq.xdc 文件内容如下：

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports i_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports i_rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[0]}]
set_property PACKAGE_PIN M14 [get_ports {led[0]}]
set_property PACKAGE_PIN M15 [get_ports {led[1]}]
set_property PACKAGE_PIN K16 [get_ports {led[2]}]
set_property PACKAGE_PIN R19 [get_ports {led[3]}]
set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports i_clk]
set_property PACKAGE_PIN R18 [get_ports i_rst_n]

下面就和你硬件板提供的 FPGA led 实验程序一样了。综合，执行，生成流文件，下载运行。

你的led 应该流水运行了。

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