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硬件加速器的设计方法

一般地，硬件加速器的设计可采用完全硬件化和部分硬件化2种设计方法。
完全硬件化 的设计方法需要根据网络结构，使用HDL（Hardware Description Language）或HLS（High-Level Synthesis）实现神经网络的每一个层。该方法的优点是硬件化程度高，可实现网络层次的流水线，并且能够获得很高的加速效果，但显然存在开发难度大、开发周期长、硬件资源消耗较多以及通用性差的缺点。
部分硬件化 的设计方法首先从神经网络的运算类型出发进行考虑，通过分析和必要的测试，得出神经网络内部各类运算的占比，然后有针对性地选择占比较大的运算进行加速；对于占比较小的运算，则仍然使用软件实现。部分硬件化设计方法的理论依据是Amdahl’s law。该方法具有开发难度较低、开发周期较短、硬件资源消耗较少的优点，同时还能够使加速器具有一定的通用性和灵活性，并且在某些情形下能够获得与完全硬件化方法相近的性能。

高层次综合HLS

HLS与电路地对应关系

一般地，软件程序中的函数最终会综合成为相应的电路模块实体，而程序中的控制流和数据流则由HLS工具中的调度和绑定程序（Scheduling and Binding Processes）映射到硬件电路当中。

软件成分	对应地硬件组成
函数	模块
函数的参数	模块地输入/输出端口
操作符	功能单元
变量	线网(wire)或寄存器(reg)
数组	存储器
控制流	控制逻辑

HLS的设计规范

虽然HLS可将高级语言描述的程序转换成硬件电路，但HLS并没有强大到可以处理任何代码。许多在软件编程中常用的概念在硬件中很难实现，所以有时需要将HLS与HDL结合，从而使得设计更加灵活。

HLS工具通常需要用户提供附加信息（通过suggestion或#pragma）来帮助完善程序，因此我们说HLS工具会同时"限制"又"加强"了一门语言。例如，HLS一般无法进行动态内存分配，且大部分HLS工具对标准库的支持也非常有限；此外，使用HLS编程时，应当避免使用系统调用和递归语句，以尽量降低程序的复杂程度。除去这些设计限制，HLS的处理范围非常广（包括DMA，数据流，Scratchpad Memory等），优化效率也较高。

一般地，使用HLS设计开发硬件电路时，应遵循的规范如下：

• 不使用动态内存分配，如malloc()、free()、new和delete等
• 不使用系统调用，如abort()、exit()、printf()等（可在测试代码中使用系统调用，但在需要综合的代码中，系统调用将被自动忽略或删除）
• 不使用递归语句
• 减少使用指针对指针的操作
• 减少使用标准库函数（HLS支持math.h中的常用函数，但仍存在不兼容）
• 减少使用C++中的函数指针和虚函数

HLS优化

延迟和吞吐量是电路设计中常用的2个性能指标。延迟值得是从输入数据到输出结果之间的耗时，而吞吐量则是两次输出结果之间的时间差。
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延迟优化

降低单个循环的延迟

循环是代码中最常见的结构之一，如何降低循环的延迟显然是延迟优化的关键问题。

循环展开（Unroll）

HLS使用一个硬件模块实现循环体。如果循环语句的循环次数为n，则该硬件模块将被执行n次。假如现在每次循环执行m次循环体，那么完成相同的功能只需要n/m次，这就是循环展开的基本思想。循环展开的本质是牺牲更多的资源来换取加速效果。
在HLS中，可使用#pragma HLS UNROLL factor=<int>的制导语句来告诉编译器哪个地方需要做循环展开。其中，参数factor用于指示循环体应该被复制多少次。当某个循环被展开了m次后，HLS编译器将生成m个硬件模块并行执行。例如以下，对程序进行factor为2的展开：

for (int i = 0; i< N; i++){
#pragma HLS unroll factor=2a[i] = b[i] + c[i];
}

上述代码等效于：

for (int i = 0; i < N