课时2：Vitis HLS设计流程介绍——Vitis HLS教程

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1. 传统的FPGA设计流程

传统的RTL设计流程如下图所示：

传统的FPGA RTL设计流程主要是采用VHDL、VerilogHDL或System Verilog进行工程的开发，同时也是通过硬件描述语言来编写测试案例（Test Bench）对开发的工程进行仿真验证。

随后根据延时、时序以及资源使用等条件因素对设计进行收敛，对硬件描述语言编写的工程进行综合、布局布线。最后在系统级层面对整个工程进行测试和迭代。

2. 高级语言（C/C++）设计流程

如果采用C语言设计流程，我们将通过抽象度更高的C/C++语言来对工程进行开发和仿真，如下图所示。

采用基于C语言的设计流程，开发人员直接使用C/C++语言来描述算法以及Test Bench，执行C的仿真来验证设计的正确性。

紧接着通过高级综合工具，完成C到RTL的转换。该设计转换同样也需要考虑延时、时序以及资源的收敛。

随后和RTL设计流程一致，通过软件工具完成RTL电路的综合和布局布线。最后，系统级层面对整个工程进行测试和迭代。

3. 基于Vitis HLS的IP设计流程

如果我们采用Vitis HLS来完成基于C语言的工程开发，设计流程如下图所示。

首先，我们采用C/C++语言来描述算法以及Test Bench，同时我们还要准备Constraints和Directives。Vitis HLS有专门的图形化界面来设置Directives。以上这些组成了整个设计的输入。

值得一提的是，Vitis HLS也集成和提供了C代码库。这些库涵盖了算数运算、视频处理、信号/数据处理、线性代数等。开发人员可以直接调用这些库函数来加速自己C算法的描述。

随后，通过Vitis HLS平台将以上设计输出为VHDL/Verilog代码。开发人员并不直接使用这些代码，而是将这些代码封装成IP核，然后将IP核添加到Vivado的IP Catalog中进行调用。这也和Vivado提出的以IP为核心的设计理念是一致的。

4. Vitis HLS的设计流程详解

4.1 设计流程描述

根据以上讲解，我们可以将Vitis HLS设计流程细化如下：

其中基于C的TestBench文件非常重要，它不仅包含了输入信息以及测试案例，它还包含了测试的正确结果用于进行仿真比较。

通过Vitis 的联合仿真（Cosimulation）功能，C/C++语言描述的Test Bench可以自动转换为RTL的TestBench。

4.2 结合Vitis HLS的菜单栏讲述设计流程

第一步：完成C的仿真；

第二步：完成C的综合；

第三步：完成C和RTL的协调仿真；

第四步：导出RTL设计；

在完成C综合后，可以打开综合报告，查看设计的性能评估、资源使用的评估以及接口等信息。

4.3 Vitis HLS项目工程的Solutions（解决方案）

在Vitis HLS项目工程中，一个工程可以对应多个Solution。每个Solution都有着自己的控制指令（directives）设置集，而这些directives就是用来优化C综合的。

Vitis HLS提供很方便的工具让开发员创建不同的Solutions，开发员通过对比有着不同directives的Solutions综合出来的结果，来迭代和优化自己的设计。

5. 总结

Vitis HLS支持C、C++、System C；

强烈建议每个C综合设计都要有C Test bench进行仿真验证；

通过建立多个Solutions来得到优化的C综合结果；

Vitis HLS给用户提供了较直观的方式来观察C和RTL联合仿真结果（Cosimulation Results）。

Vitis HLS可以显著加速算法的开发过程。

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参考文献：

[1]《Vitis High-Level Synthesis User Guide》. UG1399. Xilinx

[2]“跟Xilinx SAE学HLS系列视频讲座-高亚军 ” https://www.bilibili.com/video/av41246874