Vitis HLS 学习笔记--理解串流Stream(1)

[1. 介绍](#1. 介绍)

[2. 示例](#2. 示例)

[2.1 代码解析](#2.1 代码解析)

[2.2 串流数据类型](#2.2 串流数据类型)

[2.3 综合报告](#2.3 综合报告)

[3. 总结](#3. 总结)

1. 介绍

在Vitis HLS中，hls::stream是一个用于在C/C++中进行高级合成的关键数据结构。它类似于C++标准库中的std::stream，但是专门设计用于硬件描述语言（如Verilog或VHDL）中的数据流。hls::stream提供了一种方便的方法来处理数据流，使得在设计硬件加速器时更加灵活和可控。

hls::stream<> 类实现的串流具有如下属性：

hls::stream<> 的行为与无限深度的 FIFO 相似。
按顺序对其执行读取和写入。即，从 hls::stream<> 读取数据之后，无法再次对其进行读取。
顶层接口上的 hls::stream<> 默认情况下使用 ap_fifo 接口来实现或者作为 AXIS 接口来实现。
串流可定义为局部或全局，并且始终作为内部 FIFO 来实现。全局作用域内定义的串流遵循的规则与任何其它全局变量相同。

常见有两种串流声明方法：

hls::stream<Type>：指定串流的数据类型。设计内部的 hls::stream<> 作为 FIFO 来实现，默认深度为 2。STREAM 编译指示或指令可用于更改深度。
hls::stream<Type, Depth>：指定串流的数据类型和 FIFO 深度。设置深度以防止停滞。如果设计中的任意任务生产或使用样本的速度大于指定深度，那么 FIFO 可能因无法读取（或写入）而变为空（或满），从而导致停滞。

2. 示例

2.1 代码解析

cpp 复制代码

#include "ap_axi_sdata.h"
#include "ap_int.h"
#include "hls_stream.h"

typedef ap_axiu<64, 0, 0, 0> trans_pkt;

struct data {
    ap_int<64> data_filed;
    ap_int<1>  last;
};


void example(hls::stream<trans_pkt> & inStreamTop,
		     hls::stream<data>      & outTop) {
#pragma HLS INTERFACE axis register_mode = both register port = inStreamTop

	trans_pkt in_val;

	in_val = inStreamTop.read();

	data out_val = {in_val.data, in_val.last};

	outTop.write(out_val);
}

该示例会生成如下IP：

请注意，虽然顶层函数参数 inStreamTop 和 outTop，同为 hls::stream 类型的数据，但是综合成的 IP 却有很大的差别：

指令 #pragma HLS INTERFACE axis 会限定 inStreamTop 以 AXI Stream 接口来实现。
默认的 hls::stream 会以 ap_fifo 接口来实现，outTop。

我么可以看下标准的 fifo 接口：

可以看到，outTop 与 FIFO_WRITE 具有一致的接口信号。

在此例中，我们有个数据打包的操作：

cpp 复制代码

data out_val = {in_val.data, in_val.last};

目的是将 AXI Stream 中的 TLAST 也作为数据的一部分，给到 FIFO 接口中。所以我们 outTop 中的 outTop_din[64:0] 有65位。

2.2 串流数据类型

针对 hls::stream 以 AXI Stream 实现的情况，当串流数据类型 (T) 为简单的整数类型时，有 2 种预定义的 AXI4-Stream 实现类型可用：

AXI4-Stream 类的有符号实现

cpp 复制代码

hls::axis<ap_int<WData>, WUser, WId, WDest>

或者使用简写：

cpp 复制代码

ap_axis<Wdata, WUser, WId, WDest>

AXI4-Stream 类的无符号实现

cpp 复制代码

hls::axis<ap_uint<WData>, WUser, WId, WDest>

或者使用简写：

cpp 复制代码

ap_axiu<WData, WUser, WId, WDest>

2.3 综合报告

cpp 复制代码

================================================================
== HW Interfaces
================================================================
* AXIS
+-------------+---------------+-------+-------+-------+--------+-------+--------+
| Interface   | Register Mode | TDATA | TKEEP | TLAST | TREADY | TSTRB | TVALID |
+-------------+---------------+-------+-------+-------+--------+-------+--------+
| inStreamTop | both          | 64    | 8     | 1     | 1      | 8     | 1      |
+-------------+---------------+-------+-------+-------+--------+-------+--------+

* AP_FIFO
+-----------+------------+
| Interface | Data Width |
+-----------+------------+
| outTop    | 65         |
+-----------+------------+

* TOP LEVEL CONTROL
+-----------+------------+-----------------------------------+
| Interface | Type       | Ports                             |
+-----------+------------+-----------------------------------+
| ap_clk    | clock      | ap_clk                            |
| ap_rst_n  | reset      | ap_rst_n                          |
| ap_ctrl   | ap_ctrl_hs | ap_done ap_idle ap_ready ap_start |
+-----------+------------+-----------------------------------+

其中 AXIS 和 AP_FIFO 的报告均符合预期。

cpp 复制代码

================================================================
== SW I/O Information
================================================================
* Top Function Arguments
+-------------+-----------+---------------------------------------------+
| Argument    | Direction | Datatype                                    |
+-------------+-----------+---------------------------------------------+
| inStreamTop | in        | stream<hls::axis<ap_uint<64>, 0, 0, 0>, 0>& |
| outTop      | out       | stream<data, 0>&                            |
+-------------+-----------+---------------------------------------------+

软件IO依然提供了丰富的信息。

虽然示例代码中使用了简写" ap_axiu<64, 0, 0, 0>"，报告仍然还原了全称。

3. 总结

在Vitis HLS中，hls::stream是一个关键的数据结构，用于处理数据流。它类似于C++标准库中的std::stream，但专门设计用于硬件描述语言。hls::stream具有类似无限深度的FIFO的行为，支持顺序读写操作，并可灵活定义数据类型和FIFO深度。通过示例代码和综合报告，我们了解到hls::stream在硬件设计中的重要作用，以及如何根据需求配置不同的接口实现。这使得在设计硬件加速器时更加灵活、可控。