Harvest Guo : xilinx
指針作為C語(yǔ)言精華，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)者比較好理解，但是在xilinx vivado HLS高級(jí)語(yǔ)言綜合的設(shè)計(jì)中，由于其綜合后對(duì)應(yīng)的硬件元素難以用軟件的概念解釋，常常令程序設(shè)計(jì)者和VHLS工具使用者頭痛。本文采用淺顯易懂的描述方式，結(jié)合具體的c代碼例子，詳細(xì)描述了常用三種指針的設(shè)計(jì)類型，以及其作為頂層函數(shù)參數(shù)時(shí)，采用不同的編碼風(fēng)格和HLS約束策略，滿足設(shè)計(jì)者對(duì)指針作為RTL接口的需求。
- 1. 基本指針類型
基本指針類型指的是指針沒(méi)有運(yùn)算或者沒(méi)有多次的存取（讀寫）。指針作為top函數(shù)的參數(shù)時(shí)，指針綜合為wire型或者握手協(xié)議類型接口。如下例子1-1：
void pointer_basic (dio_t *d) {
static dio_t acc = 0;
acc += *d;
*d = acc;
}
例子1-1 基本類型指針作為頂層函數(shù)參數(shù)
在這個(gè)例子中，只是簡(jiǎn)單的讀寫指針指向的變量值，并沒(méi)有對(duì)指針做偏移或者指針（地址）運(yùn)算，其接口綜合為線
指針作為top層函數(shù)參數(shù)，并且函數(shù)中有對(duì)指針運(yùn)算時(shí)，我們稱之為指針運(yùn)算類型。指針運(yùn)算常常限制指針可能綜合的接口類型
void pointer_arith (dio_t *d) {
static int acc = 0;
int i;
for (i=0;i<4;i++) {
acc += *(d+i+1);
*(d+i) = acc;
}
}
例子1-2 指針運(yùn)算類型作為頂層函數(shù)參數(shù)
下面代碼例子1-3是這個(gè)指針運(yùn)算類型仿真的testbench。因?yàn)楹瘮?shù)pointer_arith內(nèi)部的for循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)累加，testbench通過(guò)數(shù)組d[5]分配了地址空間并對(duì)數(shù)組賦值。
int main () {
dio_t d[5], ref[5];
int i, retval=0;
FILE *fp;
// Create input data
for (i=0;i<5;i++) {
d[i] = i;
ref[i] = i;
}
// Call the function to operate on the data
pointer_arith(d);
// Save the results to a file
fp=fopen("result.dat","w");
printf(" Din Dout\n", i, d);
for (i=0;i<4;i++) {
fprintf(fp, "%d \n", d[i]);
printf(" %d %d\n", ref[i], d[i]);
}
fclose(fp);
// Compare the results file with the golden results
retval = system("diff --brief -w result.dat result.golden.dat");
if (retval != 0) {
printf("Test failed!!!\n");
retval=1;
} else {
printf("Test passed!\n");
}
// Return 0 if the test
return retval;
}
例子1-3 指針運(yùn)算類型作為頂層函數(shù)參數(shù)的testbench
在C編譯環(huán)境下仿真上面例子1-3的代碼，結(jié)果如下：
Din Dout
0 1
1 3
2 6
3 10
Test passed!
指針運(yùn)算帶來(lái)的問(wèn)題是，通常情況下，指針偏移是不規(guī)則的，不能按順序存取指針數(shù)據(jù)。而Wire，握手類型或者Fifo接口類型沒(méi)有辦法亂序存取數(shù)據(jù)。
對(duì)于wire類型接口來(lái)說(shuō)，當(dāng)設(shè)計(jì)本身準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)可以讀入數(shù)據(jù)，或者當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好ready時(shí)，可以寫出數(shù)據(jù)。對(duì)握手和Fifo類型接口，當(dāng)控制信號(hào)允許操作進(jìn)行時(shí)，讀入或?qū)懗鰯?shù)據(jù)。
在上面wire,握手或者FIFO類型接口的情況下，數(shù)據(jù)從0元素開始，必須按順序到達(dá)（寫入）。在指針運(yùn)算的例子1-2中，第一個(gè)數(shù)據(jù)從索引1開始讀入（i從0開始，0+1=1），對(duì)應(yīng)于testbench中數(shù)據(jù)d[5]的第二個(gè)元素。
當(dāng)這種情況在硬件應(yīng)用時(shí)，需要某種格式的數(shù)據(jù)索引，這種情況對(duì)于wire類型，或者握手類型還是Fifo類型來(lái)說(shuō)，都不支持。像上例1-2指針運(yùn)算的代碼，只能綜合成ap_bus接口，因?yàn)檫@種接口帶有地址，當(dāng)數(shù)據(jù)存取（讀寫）時(shí)，用于對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)索引指示。
還有一種方法，代碼必須修改成如下例子1-4的風(fēng)格，用數(shù)據(jù)array作為接口替代指針。這種方法應(yīng)用了array作為top層參數(shù)時(shí)綜合成RAM接口（ap_memory）的原理，memory接口可以用地址作為數(shù)據(jù)的索引并且可以亂序執(zhí)行，不必順序存取操作。
void array_arith (dio_t d[5]) {
static int acc = 0;
int i;
for (i=0;i<4;i++) {
acc += d[i+1];
d[i] = acc;
}
}
例子1-4 指針運(yùn)算類型作為頂層函數(shù)參數(shù)修改為array
Wire類型、握手類型或Fifo類型接口僅僅可用在數(shù)據(jù)流方式，因此不能用在與指針運(yùn)算相關(guān)的地方（除非數(shù)據(jù)從索引0開始并順序處理）。同時(shí)注意，如果想綜合為FIFO接口，Fifo接口類型必須是只讀或者只寫，不能有讀又有寫操作。
多次讀寫指針類型一般用作描述一個(gè)數(shù)據(jù)流方式的接口。
當(dāng)top層函數(shù)參數(shù)使用指針，函數(shù)體對(duì)指針進(jìn)行多次存取操作時(shí)，必須仔細(xì)考慮。在同一函數(shù)中對(duì)一個(gè)指針多次的讀或者
如果設(shè)計(jì)模型要求函數(shù)參數(shù)指針多次存取，推薦使用數(shù)據(jù)流模式模型化設(shè)計(jì)，使用數(shù)據(jù)流模型可以避免我們將會(huì)在
這個(gè)章節(jié)使用設(shè)計(jì)例子1-5 糟糕的數(shù)據(jù)流類型指針（pointer_stream_bad）解釋，當(dāng)多次存取指針時(shí)，為什么要使用volatile限定符。同時(shí)使用設(shè)計(jì)例子1-8 好的數(shù)據(jù)指針類型（pointer_stream_better）來(lái)說(shuō)明，為什么當(dāng)top層函數(shù)參數(shù)包含有這種指針接口的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該用C testbench仿真驗(yàn)證確保設(shè)計(jì)的行為級(jí)模型正確。
在下面的例子1-5中，指針d_i讀了4次并且d_o寫了2次，設(shè)計(jì)的本意是存取操作通過(guò)fifo接口，綜合后的RTL以數(shù)據(jù)流的方式讀入或者寫出數(shù)據(jù)。
void pointer_stream_bad ( dout_t *d_o, din_t *d_i) {
din_t acc = 0;
acc += *d_i;
acc += *d_i;
*d_o = acc;
acc += *d_i;
acc += *d_i;
*d_o = acc;
}
例子1-5 糟糕的數(shù)據(jù)流指針類型
用于驗(yàn)證的C testbench如下：
int main () {
din_t d_i;
dout_t d_o;
int retval=0;
FILE *fp;
// Open a file for the output results
fp=fopen("result.dat","w");
// Call the function to operate on the data
for (d_i=0;d_i<4;d_i++) {
pointer_stream_bad(&d_o,&d_i);
fprintf(fp, "%d %d\n", d_i, d_o);
}
fclose(fp);
// Compare the results file with the golden results
retval = system("diff --brief -w result.dat result.golden.dat");
if (retval != 0) {