Vitis HLS 学习条记--初始化与复位

目次
1. 简介
2. 控制初始化与复位
2.1 初始化
2.2 复位
2.3 全局复位选项
2.4 复位排除
3. 阵列初始化和复位
3.1 不利用 static 限定符
3.2 利用 static 限定符
3.3 BRAM 和 URAM
4. 总结

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1. 简介

本文对比分析两个方面的初始化和复位：阵列和控制（也即块级）
阵列的初始化和复位

• 阵列初始化：初始化是在编译时（或上电时）为变量（包括阵列）赋予初始值的过程。对于 C/C++ ，全局变量和静态变量默认初始化为0，但也可以给它们指定初始值。对于硬件逻辑，阵列会被实现为存储器（例如RAM），而且在上电或编程 FPGA 时，这些存储器会被预加载指定的初始值。
  
• 阵列复位：在运行时，通过复位信号将变量（包括阵列）恢复到其初始状态的过程。不同于初始化，复位是一个动态过程，可以在程序实行期间任何时刻发生。如果选择将变量复位到其初始状态，这会导致计划中增加额外的逻辑和存储器资源。
  

控制的初始化与复位

• 控制初始化：初始化行为主要关注变量（包括阵列和寄存器）在编译时或上电时的状态。
  
• 控制复位：在 kernel 端口添加复位信号，当用复位信号使能，立刻将连接到复位端口的寄存器和 BRAM 还原为初始值。通常 RTL 设置中最重要的操作即选择复位行为。
  

2. 控制初始化与复位


2.1 初始化

默认环境下，C/C++ 中以 static 变量和全局变量都初始化为 0，也可由用户赋予特定初始值。
在 Vitis HLS 工具中，需要注意：

• 在 RTL 仿真期间，为这些变量设置的初始值与 C/C++ 语言代码中相同。
  
• 在用于对 FPGA 进行编程的比特流中，也会对这些变量进行初始化。当器件上电时，变量将以其初始状态启动。
  

在 RTL 中，虽然变量启动时利用的初始值与 C/C++ 语言代码相同，但无法强制该变量返回至此初始状态。要复原初始状态，必须通过复位信号来实现。
2.2 复位

复位端口在 FPGA 中用于在应用复位信号时，立刻将连接到复位端口的寄存器和块 RAM 还原为初始值。通常 RTL 设置中最重要的操作即选择复位行为。

1. * TOP LEVEL CONTROL
2. +-----------+---------------+-----------+
3. | Interface | Type          | Ports     |
4. +-----------+---------------+-----------+
5. | ap_clk    | clock         | ap_clk    |
6. | ap_rst_n  | reset         | ap_rst_n  |
7. | interrupt | interrupt     | interrupt |
8. | ap_ctrl   | ap_ctrl_chain |           |
9. +-----------+---------------+-----------+

复制代码

对于复位行为，重要的是理解初始化与复位之间的差异。
2.3 全局复位选项

复位选项包罗：

• 复位极性（reset_level）
  
• 同步复位/异步复位（reset_async）
  
• 最重要的，通过“reset”选项来控制应用复位信号时要复位的寄存器。
  

“reset”选项包罗 4 项设置：

• “none”：在计划中不添加复位。
  
• “control”：这是默认设置，将所有控制寄存器复位。控制寄存器即状态机中利用的寄存器，用于生成 I/O 协议信号。此设置可确保 kernel 可立刻启动其操作状态。
  
•  “state”：在“control”设置基础上，添加衍生自 C/C++ 语言代码中的静态变量和全局变量的任意寄存器或存储器添加复位。此设置可确保应用复位后，C/C++ 语言代码中初始化的静态变量和全局变量均复位为其初始值。
  
• “all”：为 kernel 中的所有寄存器和存储器添加复位。
  

2.4 复位排除

通过 RESET 编译指示或指令可提供更精致的复位控制。静态变量和全局变量均可通过 RESET 指令来添加复位。还可利用 RESET 指令的 off 选项从复位的变量中移除变量。
示例一：

1. void foo(int in[3], char a, char b, char c, int out[3]) {
2. #pragma HLS reset variable=a

复制代码

此示例会为 foo 函数中的 a 变量添加复位，纵然全局复位设置为 none 或 control 也是云云。 
示例二： 

1. void foo(int in[3], char a, char b, char c, int out[3]) {
2. #pragma HLS reset variable=a off

复制代码

从 foo 函数中的 a 变量移除复位，纵然全局复位设置为 state 或 all 也是云云。

3. 阵列初始化和复位

对于阵列，推荐利用含 static 限定符的存储器来实现。这不仅可确保 HLS 工具以存储器来实现阵列，还允许利用“static”（静态）类型的默认初始化行为。
最为对比，我们设定两种环境：
3.1 不利用 static 限定符

1. int coeff[8] = {-2, 8, -4, 10, 14, 10, -4, 8};

复制代码

每次实行函数时，都会为 coeff 阵列分配这些值。综合后，每次实行 kernel 时，用于实现 coeff 的 RAM 都会随这些值一起加载。
如果利用单端口 RAM，此操作耗时 8 个时钟周期。对于 1024 阵列，当然也就需要 1024 个时钟周期，在此期间无法实行任何依赖于 coeff 的运算。
3.2 利用 static 限定符

1. static int coeff[8] = {-2, 8, -4, 10, 14, 10, -4, 8, -2};

复制代码

该阵列开始实行时会利用指定的值进行初始化。每次实行该函数时，coeff 阵列都会保留前次实行的值。静态阵列在 C/C++ 语言代码中的行为与 RTL 中的存储器行为相同。
如果变量包罗 static 限定符，那么 Vitis HLS 会对 RTL 计划和 FPGA 比特流中的变量进行初始化。因此，无需经历多个时钟周期来初始化存储器，而且可确保大型存储器初始化不会产生任何运算开销。
3.3 BRAM 和 URAM

在不同的硬件平台上，比如 UltraScale+ 或 Versal，内存块（BRAM）和超大型RAM（URAM）的启动和重置方式可能会有所不同。简单来说，Vitis HLS 工具支持两种重置方式：

• 上电初始化：就像装备刚通电时自动设置好的状态。这种环境下，所有平台的 BRAM 和 Versal 的 URAM 都会被设置成预先定义的初始值。
  
• 运行时重置：当装备正在运行中，如果我们发送一个 RESET 信号，BRAM 和 URAM 会被重置到初始状态，就像重新启动一样。
  

如果读取/写入阵列，则保留“initial value array”（初始值阵列，ROM）和“run time array”（运行时阵列，RAM）。此行为实用于 BRAM 和 URAM，对应于器件实行期间的硬件 RESET 信号。

4. 总结

本文讨论了初始化和复位在硬件计划中的不同方面。阵列的初始化是在编译时或上电时为变量赋予初始值，而复位是在运行时将变量恢复到其初始状态。控制的初始化和复位也是关键，通过复位信号可以在 kernel 端口添加复位行为。对于阵列，利用 static 限定符的存储器可以实现默认初始化行为，避免运算开销。此外，BRAM 和 URAM 的启动和重置方式也需要根据硬件平台进行考虑。

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