Vitis HLS 学习笔记--资源绑定-使用URAM

1. 简介

2. 代码解析

2.1 代码总览

2.2 优化指令

2.3 综合报告

3. 总结

1. 简介

Vivado IP 流程中的 AP_Memory，它用于与存储器资源（如 BRAM 和URAM）进行通信。不同于全局存储器（DDR），对此专用存储器执行的访问称为本地数据访问，比如 BRAM/URAM 中存储的数据。此类访问十分快速。

本地数据交互的唯一方式是通过其输出端口和输入端口。

使用本地存储器 (BRAM/LUTRAM/URAM) 访问时，存储器端口的数量可能限制对数据的访问带宽，导致流水打拍循环内出现 II 违例。

ap_memory 协议同样遵循地址和数据阶段方式来进行操作。该协议首先请求读/写资源，并等待至它收到资源可用确认为止。随后，它会发起读/写的数据传输阶段。

使用UltraRAM（URAM）有几个关键意义和优势，特别是对于需要处理大量数据或需要高性能内存解决方案的应用。以下是使用URAM的主要理由和好处：

增加内存容量：URAM提供了比Block RAM (BRAM)更大的存储容量。在Xilinx一些FPGA设备中，URAM可以提供高达288Kb的存储容量，这是BRAM容量的四倍。使用URAM可以在不牺牲FPGA上其他资源的情况下，增加设计的内存容量。
改善资源利用率：对于需要大量内存的设计，使用URAM可以更有效地利用FPGA的内存资源。通过用更少的URAM实现相同的存储需求，可以释放BRAM资源供其他用途使用，这有助于优化整体的资源分配和利用率。
提高性能：URAM能够提供与BRAM相似的访问速度，同时提供更大的存储容量。对于大规模数据处理和存储密集型应用，使用URAM可以减少数据访问延迟，提高系统的数据吞吐量和性能。
降低功耗：相对于使用多个BRAM实现同等存储容量，使用URAM可以在一定程度上降低系统的总体功耗。因为减少了所需内存单元的数量，从而降低了功耗。
优化数据局部性：通过在设计中合理地使用URAM，可以优化数据的局部性，减少对外部存储的访问需求。这对于那些对延迟和性能有严格要求的应用来说是非常重要的。
支持高级特性：在Vitis HLS中，URAM可以支持一些高级的内存管理和访问特性，如双端口访问、异步读写等，这为复杂的算法实现提供了更多的灵活性和可能性。

2. 代码解析

2.1 代码总览

以下代码展示了一个在Vitis HLS环境中设计的简单存储器模型。它实现了一个可读写的存储器，其中使用UltraRAM（URAM）作为存储介质：

#include "ap_int.h"#define ADDRBITS 14
#define NWORDS 1 << ADDRBITStypedef ap_uint<128> data_t;
typedef ap_uint<ADDRBITS> addr_t;void example(bool wren, bool rden, addr_t addrW, data_t datain,addr_t AddrR, data_t* dataout) {
#pragma HLS PIPELINE II = 1static data_t buffer[NWORDS];
#pragma HLS DEPENDENCE   variable = buffer inter WAR false
#pragma HLS BIND_STORAGE variable = buffer type = ram_2p impl = uramif (rden)*dataout = buffer[AddrR];if (wren)buffer[addrW] = datain;
}

其中，

ADDRBITS 定义了地址位数，这里是14位。

NWORDS 定义了存储器的地址数，通过左移操作计算得到，即1 << 14，表示存储器中有16384（2^14）个地址。

以上代码生成的IP：

wren：写使能信号。
rden：读使能信号。
addrW：写操作的地址。
datain：写入的数据。
AddrR：读操作的地址。
dataout：读出的数据。

2.2 优化指令

#pragma HLS PIPELINE II = 1

这条指令指示 HLS 工具尝试以流水线方式执行这个函数，每个时钟周期开始一个新的操作（迭代间隔II=1）。

static data_t buffer[NWORDS];
#pragma HLS DEPENDENCE variable = buffer inter WAR false
#pragma HLS BIND_STORAGE variable = buffer type = ram_2p impl = uram

这段定义了一个静态的 buffer 数组，大小为 NWORDS，用作存储数据。
#pragma HLS DEPENDENCE指示编译器这个变量（buffer）不存在写后读（WAR）的数据依赖问题，优化并行执行。
#pragma HLS BIND_STORAGE将buffer绑定为双端口RAM（ram_2p），并指定实现为URAM。这使得buffer在FPGA上的物理实现是使用URAM资源。

2.3 综合报告

================================================================
== HW Interfaces
================================================================
* REGISTER
+-----------+---------+----------+
| Interface | Mode    | Bitwidth |
+-----------+---------+----------+
| AddrR     | ap_none | 14       |
| addrW     | ap_none | 14       |
| datain    | ap_none | 128      |
| dataout   | ap_none | 128      |
| rden      | ap_none | 1        |
| wren      | ap_none | 1        |
+-----------+---------+----------+================================================================
== Bind Storage Report
================================================================
+--------------+------+------+--------+----------+---------+------+---------+
| Name         | BRAM | URAM | Pragma | Variable | Storage | Impl | Latency |
+--------------+------+------+--------+----------+---------+------+---------+
| + example    | 0    | 8    |        |          |         |      |         |
|   buffer_V_U | -    | 8    | pragma | buffer_V | ram_2p  | uram | 1       |
+--------------+------+------+--------+----------+---------+------+---------+================================================================
== Pragma Report
================================================================
* Valid Pragma Syntax
+--------------+---------------------------------------------+---------------------------+
| Type         | Options                                     | Location                  |
+--------------+---------------------------------------------+---------------------------+
| pipeline     | II = 1                                      | example.cpp:12 in example |
| dependence   | variable = buffer inter WAR false           | example.cpp:15 in example |
| bind_storage | variable = buffer type = ram_2p impl = uram | example.cpp:16 in example |
+--------------+---------------------------------------------+---------------------------+

从综合报告来看，我们成功绑定了 URAM 作为 buffer 的实现方式，并且II=1。