Vitis HLS 学习笔记--通道的FIFO/PIPO选择

目录

1. 简介

2. 代码详解

2.1 FIFO 通道示例

2.1.1 配置默认通道

2.1.2 kernel 代码 

2.1.3 综合报告

2.1.4 depth = 32 解析

2.1.5 FIFO 通道分类

2.2 PIPO

2.2.1 配置默认通道

2.2.2  kernel 代码 

2.2.3 综合报告

2.2.4 PIPO 通道分类

3. 综合对比

3.1 数据类型和接口

3.2 数据流和数据流控制

3.3 计算函数和计算方式

4. 总结

1. 简介

本文通过调整 Vitis HLS 编译器的默认设置，选择FIFO或者PIPO作为通道缓存。首先，我们来复习一下这两种缓存的区别：

想象一下，你在一家快餐店，FIFO 缓冲器就像是排队等候的顾客队伍。第一个进入队伍的顾客会是第一个得到服务的人。这个系统的好处是，顾客（生产者）一旦排队，厨师（使用者）就可以开始准备他们的食物。但如果厨师做饭的速度赶不上顾客排队的速度，或者反过来，就会造成混乱，有可能导致整个队伍停滞不前，这就是所谓的“死锁”。

现在，让我们来看看乒乓缓冲器。这就像是有两个窗口的快餐店。当一个窗口正在为顾客准备食物时，另一个窗口就在接待新的顾客。一旦一个窗口的食物准备好了，顾客就可以从那里取餐，而厨师则转到另一个窗口继续工作。这样，即使顾客来得很快，也不会有人等得太久，因为总有一个窗口是在准备食物的。

PIPO 缓冲器的工作方式类似于一个自动调节的快餐店，无论顾客来得多快，厨师都能以相同的速度做饭，确保每个人都能及时得到食物，不会有任何拥堵或延误。

在这两种情况下，无论是 FIFO 还是 PIPO，关键点都是顾客（生产者）将订单（数据块）传递给厨师（使用者）。订单可以是一个汉堡包（单个值），也可以是一整个家庭套餐（一组 N 个值）。订单越大，厨师需要的准备空间就越多。

本文内容会参照《Vitis HLS 学习笔记--控制驱动TLP-处理deadlock_vitis hls数据流处理-CSDN博客》中对于 FIFO /PIPO 类型的分类。

2. 代码详解

2.1 FIFO 通道示例

2.1.1 配置默认通道

首先配置 FIFO 缓存，可以通过如下指令进行设定：

# Create a solution
open_solution -reset solution1 -flow_target vitis
config_dataflow -default_channel fifo -fifo_depth 2

或者通过 UI 界面设置：

2.1.2 kernel 代码 

#include <hls_stream.h>
#include <hls_vector.h>extern "C" {void diamond(hls::vector<uint32_t, 16>* vecIn, hls::vector<uint32_t, 16>* vecOut, int size) {
// The depth setting is required for pointer to array in the interface.
#pragma HLS INTERFACE m_axi port = vecIn depth = 32
#pragma HLS INTERFACE m_axi port = vecOut depth = 32hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>> c0, c1, c2, c3, c4, c5;assert(size % 16 == 0);#pragma HLS dataflowload(vecIn, c0, size);compute_A(c0, c1, c2, size);compute_B(c1, c3, size);compute_C(c2, c4, size);compute_D(c3, c4, c5, size);store(c5, vecOut, size);
}
}void load(hls::vector<uint32_t, 16>* in, hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out, int size) {
Loop_Ld:for (int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32out.write(in[i]);}
}void compute_A(hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in, hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out1,hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out2, int size) {
Loop_A:for (int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32hls::vector<uint32_t, 16> t = in.read();out1.write(t * 3);out2.write(t * 3);}
}void compute_B(hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in, hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out,int size) {
Loop_B:for (int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32out.write(in.read() + 25);}
}void compute_C(hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in, hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out,int size) {
Loop_C:for (unsigned int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32out.write(in.read() * 2);}
}
void compute_D(hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in1, hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in2,hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& out, int size) {
Loop_D:for (unsigned int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32out.write(in1.read() + in2.read());}
}void store(hls::stream<hls::vector<uint32_t, 16>>& in, hls::vector<uint32_t, 16>* out, int size) {
Loop_St:for (int i = 0; i < size; i++) {
#pragma HLS performance target_ti = 32
#pragma HLS LOOP_TRIPCOUNT max = 32out[i] = in.read();}
}

数据流说明：

  • load：读取数组 vecIn -> c0;
  • compute_A：从流 c0 读取数据，计算后写入 c0 × 3 -> c1, c0 ×3 -> c2;
  • compute_B：从流 c1 读取数据，计算后写入 c1 + 25 -> c3;
  • compute_C：从流 c2 读取数据，计算后写入 c2 × 2 -> c4;
  • compute_D：从流 c3 和 c4 读取数据，计算后写入 c3 + c4 -> c5;
  • store：数组 c5 -> vecOut。 

2.1.3 综合报告

查看综合后的报告：

================================================================
== HW Interfaces
================================================================
* M_AXI
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+
| Interface  | Data Width | Address Width | Latency | Offset | Register | Max Widen | Max Read     | Max Write    | Num Read    | Num Write   |
|            | (SW->HW)   |               |         |        |          | Bitwidth  | Burst Length | Burst Length | Outstanding | Outstanding |
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+
| m_axi_gmem | 512 -> 512 | 64            | 64      | slave  | 0        | 512       | 16           | 16           | 16          | 16          |
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+

具有较大的位宽，512bit，符合 hls::vector<uint32_t, 16> 定义，512=32*16。

* SW-to-HW Mapping
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+
| Argument | HW Interface  | HW Type   | HW Usage | HW Info                            |
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+
| vecIn    | m_axi_gmem    | interface |          |                                    |
| vecIn    | s_axi_control | register  | offset   | name=vecIn_1 offset=0x10 range=32  |
| vecIn    | s_axi_control | register  | offset   | name=vecIn_2 offset=0x14 range=32  |
| vecOut   | m_axi_gmem    | interface |          |                                    |
| vecOut   | s_axi_control | register  | offset   | name=vecOut_1 offset=0x1c range=32 |
| vecOut   | s_axi_control | register  | offset   | name=vecOut_2 offset=0x20 range=32 |
| size     | s_axi_control | register  |          | name=size offset=0x28 range=32     |
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+

vecIn 和 vecOut 均是绑定到 m_axi_gmem 的 AXI 主接口。 

2.1.4 depth = 32 解析

void diamond(vecOf16Words* vecIn, vecOf16Words* vecOut, int size) {
#pragma HLS INTERFACE m_axi port = vecIn depth = 32
#pragma HLS INTERFACE m_axi port = vecOut depth = 32hls::stream<vecOf16Words> c0, c1, c2, c3, c4, c5;assert(size % 16 == 0);#pragma HLS dataflowload(vecIn, c0, size);compute_A(c0, c1, c2, size);compute_B(c1, c3, size);compute_C(c2, c4, size);compute_D(c3, c4, c5, size);store(c5, vecOut, size);
}

#pragma HLS INTERFACE m_axi port = vecIn depth = 32 指令用于设置接口属性。这里的 depth=32 是一个指令选项，它指定了AXI接口的深度，也就是FPGA与外部内存交互时可以访问的数据量。这个数值应该与设计打算在单次事务中处理的数据量相匹配。由于 TB 中的 std::vector 容器 test 和 outcome 的大小都被初始化为32，这表明设计打算在一个事务中处理32个向量，因此 depth 被设置为32。

这个深度值对于优化数据传输非常重要，因为它影响了接口生成的FIFO缓冲区的大小，以及FPGA与外部内存之间的突发传输能力。正确设置深度可以帮助提高性能，减少延迟，并确保数据的连续流动。

2.1.5 FIFO 通道分类

FIFO 有三种类型：

  • Streams (including hls::streams and streamed arrays)，用户创建。
  • Scalar propagation FIFOs，工具推断。
  • Streams of blocks，用户创建。

对照 Dataflow 报告，本 kernel 的 FIFO 通道有两种类型 Stream 和 ScalarProp，从变量的名字也可以看出，c0、c1、c2、c3、c4、c5是由用户创建的，而其余的变量则由 HLS 工具推断生成。

2.2 PIPO

2.2.1 配置默认通道

首先配置 PIPO 缓存，可以通过如下指令进行设定：

# Create a solution

open_solution -reset solution1 -flow_target vitis

或者通过 UI 界面设置：

2.2.2  kernel 代码 

void diamond(unsigned char vecIn[100], unsigned char vecOut[100]) {unsigned char c1[100], c2[100], c3[100], c4[100];
#pragma HLS dataflowfuncA(vecIn, c1, c2);funcB(c1, c3);funcC(c2, c4);funcD(c3, c4, vecOut);
}void funcA(unsigned char* in, unsigned char* out1, unsigned char* out2) {
Loop0:for (int i = 0; i < 100; i++) {
#pragma HLS pipeline rewind
#pragma HLS unroll factor = 2unsigned char t = in[i] * 3;out1[i] = t;out2[i] = t;}
}void funcB(unsigned char* in, unsigned char* out) {
Loop0:for (int i = 0; i < 100; i++) {
#pragma HLS pipeline rewind
#pragma HLS unroll factor = 2out[i] = in[i] + 25;}
}void funcC(unsigned char* in, unsigned char* out) {
Loop0:for (unsigned char i = 0; i < 100; i++) {
#pragma HLS pipeline rewind
#pragma HLS unroll factor = 2out[i] = in[i] * 2;}
}void funcD(unsigned char* in1, unsigned char* in2, unsigned char* out) {
Loop0:for (int i = 0; i < 100; i++) {
#pragma HLS pipeline rewind
#pragma HLS unroll factor = 2out[i] = in1[i] + in2[i] * 2;}
}

数据流说明：

  • compute_A：计算后写入 vecIn × 3 -> c1, vecIn ×3 -> c2;
  • compute_B：计算后写入 c1 + 25 -> c3;
  • compute_C：计算后写入 c2 × 2 -> c4;
  • compute_D：计算后写入 c3 + c4 × 2 -> vecOut.

2.2.3 综合报告

================================================================
== HW Interfaces
================================================================
* M_AXI
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+
| Interface  | Data Width | Address Width | Latency | Offset | Register | Max Widen | Max Read     | Max Write    | Num Read    | Num Write   |
|            | (SW->HW)   |               |         |        |          | Bitwidth  | Burst Length | Burst Length | Outstanding | Outstanding |
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+
| m_axi_gmem | 512 -> 512 | 64            | 64      | slave  | 0        | 512       | 16           | 16           | 16          | 16          |
+------------+------------+---------------+---------+--------+----------+-----------+--------------+--------------+-------------+-------------+
* SW-to-HW Mapping
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+
| Argument | HW Interface  | HW Type   | HW Usage | HW Info                            |
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+
| vecIn    | m_axi_gmem    | interface |          |                                    |
| vecIn    | s_axi_control | register  | offset   | name=vecIn_1 offset=0x10 range=32  |
| vecIn    | s_axi_control | register  | offset   | name=vecIn_2 offset=0x14 range=32  |
| vecOut   | m_axi_gmem    | interface |          |                                    |
| vecOut   | s_axi_control | register  | offset   | name=vecOut_1 offset=0x1c range=32 |
| vecOut   | s_axi_control | register  | offset   | name=vecOut_2 offset=0x20 range=32 |
| size     | s_axi_control | register  |          | name=size offset=0x28 range=32     |
+----------+---------------+-----------+----------+------------------------------------+

报告中 HW Interface 与 Mapping 具有相同的内容，这里不再赘述。

2.2.4 PIPO 通道分类

PIPO 有三种类型：

  • PIPO，用户创建。
  • Task Level FIFOs (TLF)，工具推断。
  • Input and output ports to the upper level，用户创建。

对照 Dataflow 报告，本 kernel 的 PIPO 通道类型只有一种：PIPO，c1、c2、c3、c4均由用户创建。变量 vecOut_c 则由 HLS 工具推断生成为 FIFO 类型。

 

3. 综合对比

3.1 数据类型和接口

第一段代码：

  • 使用 hls::vector<uint32_t, 16> 类型来表示向量。
  • 使用 hls::stream 数据结构来处理数据流。
  • 显式指定 AXI 主接口。

第二段代码：

  • 使用基本的 unsigned char 类型的数组，每个数组包含 100 个元素。
  • 没有使用 hls::stream，而是使用普通的数组传递数据。
  • 输入输出接口使用普通的 C-style 指针和数组，没有显式的接口设置。

3.2 数据流和数据流控制

第一段代码：

  • 使用 HLS dataflow pragma (#pragma HLS dataflow) 来启用数据流优化
  • 显式指定使用 hls::stream 作为函数间的通信方式，函数之间的数据通过流进行传递。

第二段代码：

  • 同样使用 HLS dataflow pragma (#pragma HLS dataflow) 来启用数据流优化，但数据传递是通过普通的数组来进行。
  • 函数间的数据通过数组传递，没有使用 hls::stream。

3.3 计算函数和计算方式

第一段代码：

  • 函数更为通用，接受 hls::vector 类型的数据，并且处理过程中使用了 HLS 的各种特性如 pipeline 和 unroll。
  • 每个函数处理 hls::vector<uint32_t, 16> 类型的数据，并将结果写入另一个 hls::vector。

第二段代码：

  • 函数接受基本类型的指针和数组作为输入输出，处理过程中使用 pipeline 和 unroll 进行优化。
  • 每个函数处理 unsigned char 类型的数据，并将结果写入另一个 unsigned char 数组。

4. 总结

本文对比了在 Vitis HLS 编译器中配置 FIFO 和 PIPO 缓冲器的方法和效果。通过两段代码示例，我们展示了使用这两种通道缓存的不同实现方式。

在 FIFO 示例中，代码使用 hls::vector<uint32_t, 16> 和 hls::stream 数据结构，通过 AXI 主接口进行数据传输，并用 #pragma HLS dataflow 启用数据流优化，每个函数通过流进行通信。这种方式更通用，但需要显式指定流和接口设置。

在 PIPO 示例中，代码采用 unsigned char 数组进行数据传递，使用 C-style 指针和数组，没有显式接口设置，通过数组传递数据，同样使用 #pragma HLS dataflow 启用数据流优化。这种方式更简单直接，但缺乏流的灵活性。

PIPO 缓冲器可以自动调节，确保任务之间的重叠执行，而不会出现死锁。而显式手动串流的 FIFO 通道虽然可以更快地开始重叠执行，但需要小心调整队列大小，以避免死锁问题。

综合来看，FIFO 适用于复杂的通用数据处理场景，而 PIPO 更适合简单的数据传递需求。正确选择和配置这两种缓冲器，可以优化系统性能，减少延迟。本文帮助读者理解 FIFO 和 PIPO 的适用场景和配置方法，从而在设计中做出最佳选择。

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