Vitis HLS 学习笔记--循环边界包含变量

目录

1. 简介

2. 分析与详解

2.1 未优化

2.2 LOOP_TRIPCOUNT 优化指令

2.3 重写变量循环边界

3. 总结

1. 简介

在硬件设计中，循环的迭代次数通常需要是固定的，因为这有助于资源的预分配和时序分析。

循环边界包含变量意味着循环的迭代次数不是固定的，而是由程序运行时的某个变量值决定。这种情况下，编译器无法预先知道循环的确切迭代次数，从而影响代码的优化和性能分析。

当循环包含变量边界时，将禁止执行 Vitis HLS 可应用的某些最优化操作。

int example(int A[32], int n) {

...
    for (i = 0; i < n; i++) {
        out_accum += A[i];
    }
...
}

其中，循环边界由顶层输入驱动的变量 n 来判定。在此情况下，循环被视为包含变量边界，因为 Vitis HLS 无从知晓循环将何时完成。

本文探讨如何解决这种问题。

2. 分析与详解

2.1 未优化

Vitis HLS 工具会尝试循环进行进行最优化，并且最终的报告包含变量循环边界造成的问题。

#include "ap_int.h"

ap_int<13> example(ap_int<8> A[32], ap_uint<5> n) {

    ap_int<13> out_accum = 0;
    ap_uint<5> i;

LOOP:
    for (i = 0; i < n; i++) {
        out_accum += A[i];
    }

    return out_accum;
}

变量循环边界的第一个问题是阻止 Vitis HLS 判定循环时延。

Vitis HLS 可判定完成一次循环迭代所需的时延，但由于它无法静态判定精确的变量宽度值 n，因此无从知晓执行的迭代次数，因而无法报告循环时延（即完全执行循环的所有迭代的周期数）。

存在变量循环边界时，Vitis HLS 会将时延报告为问号 (?) 而不是使用精确值。以下显示了示例的综合后的结果： 

* Loop: 
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+
|          |  Latency (cycles) | Iteration|  Initiation Interval  | Trip |          |
| Loop Name|   min   |   max   |  Latency |  achieved |   target  | Count| Pipelined|
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+
|- LOOP    |        ?|        ?|         2|          1|          1|     ?|       yes|
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+

2.2 LOOP_TRIPCOUNT 优化指令

loop_tripcount 语法

#pragma HLS loop_tripcount min=<int> max=<int> avg=<int>

克服此问题的方法是使用 LOOP_TRIPCOUNT 指令来为循环指定最小和/或最大迭代计数。 

#include "ap_int.h"

ap_int<13> example(ap_int<8> A[32], ap_uint<5> n) {

    ap_int<13> out_accum = 0;
    ap_uint<5> i;

LOOP:
    for (i = 0; i < n; i++) {
#pragma HLS loop_tripcount min=32 max=32 avg=32
        out_accum += A[i];
    }

    return out_accum;
}

循环次数(tripcount) 表示循环的迭代次数。优化后的是示例中，tripcount 最大值 32，那么报告将更新为显示如下内容：

* Loop: 
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+
|          |  Latency (cycles) | Iteration|  Initiation Interval  | Trip |          |
| Loop Name|   min   |   max   |  Latency |  achieved |   target  | Count| Pipelined|
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+
|- LOOP    |       32|       32|         2|          1|          1|    32|       yes|
+----------+---------+---------+----------+-----------+-----------+------+----------+

LOOP_TRIPCOUNT 指令提供的值仅用于报告，或者用于支持 PERFORMANCE 编译指示或指令。指定的循环次数值使 Vitis HLS 能够在报告中判定时延值，以便对来自不同解决方案的值进行比较。要将此循环边界信息用于综合，必须使用断言更新 C/C++ 语言代码，这样会影响综合，由于断言条件假定为 true，因此必须谨慎使用。

由于变量边界循环无法完全展开，因此不仅阻止应用展开 (unroll) 指令，而且还会阻止循环上层的层级的流水打拍操作。

2.3 重写变量循环边界

这里的解决方案是将循环的迭代次数设置为一个固定的最大值（此处为32），然后在循环体内部使用条件语句来决定是否执行循环的主体。

#include "ap_int.h"

ap_int<13> example(ap_int<8> A[32], ap_uint<5> n) {

    ap_int<13> out_accum = 0;
    ap_uint<5> i;

LOOP:
    for (i = 0; i < 32; i++) {
    	if (i < n) {
    		out_accum += A[i];
    	}
    }

    return out_accum;
}

在 LOOP 循环中，i 从0迭代到 32，但只有当 i 小于 n 时，才会将 A[i] 加到累加器 out_accum 上。这样，即使 n 是一个变量，循环的迭代次数也是固定的，满足硬件设计的要求。 

示例中的 for 循环 (LOOP) 则可完全展开。由于此循环的上限固定，因此 Vitis HLS 知晓需创建的硬件数量。在 RTL设计中包含 32 份循环主体副本。每份循环主体副本都包含与之关联的条件逻辑，并根据变量 n 值来执行。

3. 总结

在硬件设计中，固定的循环迭代次数对于资源分配和时序分析至关重要。Vitis HLS 在处理包含变量边界的循环时面临挑战，因为这限制了某些优化操作的执行。通过使用 LOOP_TRIPCOUNT 指令指定迭代次数的范围，可以帮助工具更好地进行时延分析。此外，将循环重写为固定次数的迭代，同时在循环体内部使用条件语句来控制执行，可以满足硬件设计的需求，允许循环展开和流水线化，从而提高性能。这些方法为变量边界循环提供了有效的解决方案，使得即使在变量驱动的情况下，也能实现硬件设计的优化。