編碼風格與技巧

盡管通常Fixed-Point（定點）比Floating-Point（浮點）算法的FPGA實現要更快，且面積更高效，但往往有時也需要Floating-Point來實現。這是因為Fixed-Point有限的數據動態范圍，需要深入的分析來決定整個設計中間數據位寬變化的pattern，為了達到優化的QoR，并且要引入很多不同類型的Fixed-Point中間變量。而Floating-Point具有更大的數據動態范圍，從而在很多算法中只需要一種數據類型的優勢。

Xilinx Vivado HLS工具支持C/C++ IEEE-54標準單精度及雙精度浮點數據類型，可以比較容易，快速地將C/C++ Floating-Point算法轉成RTL代碼。與此同時，為了達到用戶期望的FPGA資源與性能， 當使用Vivado HLS directives時需要注意C/C++編碼風格與技巧相結合。

編碼風格

1.1 單雙精度浮點數學函數

#include

float example（float var）

{

return log（var）; // 雙精度自然對數

}

在C設計中， 這個例子， Vviado HLS 生成的RTL實現將輸入轉換成雙精度浮點，并基于雙精度浮點計算自然對數，然后將雙精度浮點輸出轉換成單精度浮點。

#include

float example（float var）

{

return logf（var）; // 單精度自然對數

}

在C設計中， logf才是單精度自然對數， 這個例子 Vviado HLS 生成的RTL實現將基于單精度浮點計算自然對數， 而且沒有輸入輸出單雙精度的互轉。

1.2 浮點運算優化

我們先來看一個例子，三個從代數上看起來差不多的寫法，但其在Vivado HLS中綜合出來的是三個完全不一樣的結果。

void example（float *m0， float *m1， float *m2， float var）

{

*m0 = 0.2 * var; // 雙精度浮點乘法，單雙精度類型轉換

*m1 = 0.2f * var; // 單精度浮點乘法

*m2 = var / 20.0f; // 單精度浮點除法

}

Vivado HLS將日m0， m1， m2綜合成不同的RTL實現。

因為0.2是一個不能精確表征的雙精度數字， 所以m0運算會被Vivado HLS綜合成一個雙精度浮點乘法， 并且將var 轉換成雙精度， 然后將雙精度乘法輸出m0轉換成單精度。

特別注意，如果希望Vivado HLS綜合出單精度常熟，需要在常數后面加f， 如0.2f。這樣m1綜合成一個單精度乘法的輸出。同理，m2將被Vivado HLS綜合成單精度除法的輸出。

我們來看另外一個例子。

void example（float *m0， float *m1， float var）

{

*m0 = 0.2f * 5.0f * var; // *m0 = var;常數乘法被優化掉

*m1 = 0.2f * var * 5.0f; // 兩個雙精度浮點乘法

}

再來看另一個例子。

void example（float *m0， float *m1， float var）

{

*m0 = 0.5 * var; //

*m1 = var/2; //

}

m0運算會被Vivado HLS綜合成一個雙精度浮點乘法， 并且將var 轉換成雙精度， 然后將雙精度乘法輸出m0轉換成單精度。

m1運算會被Vivado HLS綜合成簡單的右移運算。所以如果用戶希望實現對var除以2， 就寫成m1這種表達式，而不是m0的表達式。

并行度與資源復用

由于浮點運算相比整型，定點運算耗用更可觀的資源。Vivado HLS會盡量用更有效的資源來實現浮點運算，當數據的相關性及約束許可的情況下，在Vivado HLS中，會盡量復用一些浮點運算單元。為了說明這個，我們看一個簡單的四個浮點加法例子， Vivado HLS復用一個浮點加法器來串行實現四個浮點加法。

void example（float *r， float a， float b，

float c， float d）

{

*r = a + b + c + d;

}

有時設計需要更高的throughput及更低的latency。這時就需要提高設計的并行度。以下面例子來說明，在Vivado HLS就需要對for循環loop加pipeline與unroll 的directives。同時需要通過設置a，b，r0 為FIFO， 并對其重排以提高I/O帶寬兩倍。這樣Vivado HLS就會綜合出兩個浮點加法來并行實現，這是因為每個加法器計算是完全獨立的。

void example（float r0［32］， float a［32］， float b［32］）

{

#pragma HLS interface ap_fifo port=a，b，r0

#pragma HLS array_reshape cyclic factor=2 variable=a，b，r0

for （int i = 0; i 《 32; i++）

{

#pragma HLS pipeline

#pragma HLS unroll factor=2

r0［i］ = a［i］ + b［i］;

}

}

然而，如果更多復雜的運算，或許會導致不獨立的浮點運算，在這種情況下，Vivado HLS不能重新排列這些運算的順序，這樣會導致更低的，不是所期望的復用。 下面舉例來說明如何提高帶有反饋浮點運算的性能。

這個例子的累加會導致recurrence，并且通常浮點加法的latency大于一個時鐘周期，加的pipeline directive并不能達到一個時鐘周期完成一次累加的throughput。

float example（float x［32］）

{

#pragma HLS interface ap_fifo port=x

float acc = 0;

for （int i = 0; i 《 32; i++）

{

#pragma HLS pipeline

acc += x［i］;

}

return acc;

}