Intel®高层次综合编译器专业版: 最佳实践指南

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ID 683152
日期 12/04/2023
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文档目录
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1. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南 2. 编码和编译组件的最佳实践 3. FPGA概念 4. 接口最佳实现 5. 循环的最佳实践 6. fMAX瓶颈最佳实践 7. 存储器架构最佳实践 8. 任务系统最佳实践 9. 数据类型最佳实践 10. 高级故障排查 A. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南存档 B. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南文档修订历史
1. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南 x
1.1. Intel® HLS Compiler待弃用
3. FPGA概念 x
3.1. FPGA架构概述 3.2. FPGA硬件设计概念 3.3. 硬件设计方法
3.1. FPGA架构概述 x
3.1.1. 自适应逻辑模块(ALM) 3.1.2. 数字信号处理(DSP)模块 3.1.3. 随机存取存储器 (RAM) 块
3.1.1. 自适应逻辑模块(ALM) x
3.1.1.1. 查找表（LUT） 3.1.1.2. 寄存器
3.2. FPGA硬件设计概念 x
3.2.1. 最大频率(fMAX) 3.2.2. 延时 3.2.3. 流水线 3.2.4. 吞吐量 3.2.5. 数据通路 3.2.6. 控制通路 3.2.7. 占用
3.3. 硬件设计方法 x
3.3.1. 源代码如何成为自定义硬件数据通路 3.3.2. 调度(Scheduling) 3.3.3. 将并行模型映射到FPGA硬件 3.3.4. Memory Types（存储器类型）
3.3.1. 源代码如何成为自定义硬件数据通路 x
3.3.1.1. 将源代码指令映射到硬件 3.3.1.2. 映射数组及其对硬件的访问
3.3.2. 调度(Scheduling) x
3.3.2.1. 动态调度 3.3.2.2. 数据通路集群 3.3.2.3. 集群之间握手
3.3.3. 将并行模型映射到FPGA硬件 x
3.3.3.1. 数据并行性 3.3.3.2. 任务并行性
3.3.3.1. 数据并行性 x
3.3.3.1.1. 同时执行独立操作 3.3.3.1.2. 流水线
3.3.3.1.2. 流水线 x
3.3.3.1.2.1. 组件内的流水线循环 3.3.3.1.2.2. 流水线跨组件调用
3.3.4. Memory Types（存储器类型） x
3.3.4.1. 组件存储器 3.3.4.2. 外部存储器
4. 接口最佳实现 x
4.1. 为组件选择适合的接口 4.2. 可变延时MM主接口的LSU控制 4.3. 避免指针混淆
4.1. 为组件选择适合的接口 x
4.1.1. 指针接口 4.1.2. Avalon® 存储器映射主接口（Host Interface） 4.1.3. Avalon® 存储器映射从存储器（Agent Memories ） 4.1.4. Avalon® 存储器映射从存储器（Agent Register ） 4.1.5. Avalon® Streaming（流）接口 4.1.6. Pass-by-Value接口
5. 循环的最佳实践 x
5.1. 在循环中调用硬件以重复使用 5.2. 并行化循环 5.3. 构建Well-Formed（结构良好）的循环 5.4. 最小化循环携带的依赖性 5.5. 避免复杂循环退出条件 5.6. 将嵌套循环转换为单个循环 5.7. 将if-Statements放置在循环嵌套中尽可能最低的范围 5.8. 在尽可能深的范围内声明变量 5.9. 提升Loop II以提高fMAX 5.10. 控制循环交叉存取
5.2. 并行化循环 x
5.2.1. 流水线循环 5.2.2. 展开循环（Unroll Loop） 5.2.3. 实例：循环流水线和展开
6. fMAX瓶颈最佳实践 x
6.1. 平衡目标fMAX和目标II
7. 存储器架构最佳实践 x
7.1. 实例：覆盖组合式存储器架构 7.2. 实例：覆盖Banked存储器架构 7.3. 合并存储器减少面积 7.4. 实例：指定局部存储器地址的Bank选择位
7.3. 合并存储器减少面积 x
7.3.1. 实例：从深度方向合并存储器 7.3.2. 实例：从宽度方向合并存储器
8. 任务系统最佳实践 x
8.1. 并行执行多个循环 8.2. 共享昂贵计算块 8.3. 实现层次设计 8.4. 平衡任务系统中的容量
8.4. 平衡任务系统中的容量 x
8.4.1. 启用 Intel® HLS Compiler来推断数据通路缓冲区容量要求 8.4.2. 必要时对设计明确添加缓冲容量
9. 数据类型最佳实践 x
9.1. 避免隐式数据类型转换 9.2. 使用ac_int数据类型时避免负位移
10. 高级故障排查 x
10.1. 仅在仿真中出现的组件失败 10.2. 组件的结果质量较差
1. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南
2. 编码和编译组件的最佳实践
3. FPGA概念
4. 接口最佳实现
5. 循环的最佳实践
6. fMAX瓶颈最佳实践
7. 存储器架构最佳实践
8. 任务系统最佳实践
9. 数据类型最佳实践
10. 高级故障排查
A. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南存档
B. Intel® HLS Compiler Pro版最佳实践指南文档修订历史

4.1.1. 指针接口

软件开发人员习惯针对CPU写代码，且首先尝试通过声明向量a，b和c作为获得组件传入传出数据的指针来写码该算法。
这样使用指针将导致三个输入变量共享单个Avalon Memory-Mapped (MM) Host接口。

默认设置下组件中的指针作为 Avalon® Memory Mapped（ Avalon® -MM）主接口实现。有关指针参数接口的更多详细信息，请参阅 Intel® High Level Synthesis Compiler Pro Edition参考手册中的 Intel HLS Compiler默认接口。

使用指针接口的向量加法组件实例，写码如下： 
component void vector_add(int* a,
                          int* b,
                          int* c,
                          int N) {
  #pragma unroll 8
  for (int i = 0; i < N; ++i) {
    c[i] = a[i] + b[i];
  }
}
下图显示编译该实例时Graph Viewer中生成的Function View。由于循环8倍展开，因此该图显示vector_add.B2有8个负载用于向量a，8个负载用于向量b，8个存储用于向量c。此外，因为所有负载和存储都在同一存储器上进行，会导致存储器访问率低下。
图 24. 使用Pointer接口的 vector_add组件的Graph Viewer Function View


如下Loop Analysis报告显示该组件的循环启动间隔（II）高于预期。II高是因为向量a，b和c均通过同一Avalon-MM Host接口访问。而 Intel® HLS Compiler Pro Edition使用可停转仲裁逻辑来安排这些访问的时间，从而导致低性能和FPGA面积占用率高。

此外，编译器无法假设循环迭代之间不存在数据依赖关系，因为可能存在指针别名。编译器无法确定向量a，b和c不重叠。如果存在数据依赖关系，则 Intel® HLS Compiler无法有效通过流水线运行循环迭代。



通过英特尔 Quartus Prime编译流程编译 Intel® Arria® 10器件组件得到如下QoR指标，包括高ALM使用率，高延迟，高II和低fMAX。所有这些都是不希望出现的组件属性。
表 2.  组件使用指针接口的QoR Metrics1
QoR Metric Value
ALMs 15593.5
DSPs 0
RAMs 30
fMAX (MHz)2 298.6
Latency（周期） 24071
Initiation Interval (II)（周期） ~508
1用于计算QoR指标的编译流程采用英特尔 Quartus Prime Pro Edition 17.1。
2 fMAX的大小由计算单个seed得出。
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