硬件设计抽象级别详解：门级、RTL级、行为级与HLS

硬件设计抽象级别详解：门级、RTL级、行为级与HLS

引言

在数字系统设计领域，硬件描述语言(HDL)提供了多种抽象级别来描述电路功能和结构。从最底层的门级描述到高层的行为级描述，每一种抽象级别都有其特定的用途和优势。理解这些不同级别以及高层次综合(HLS)在其中的位置，对于高效进行数字系统设计至关重要。本文将详细介绍门级、RTL级和行为级设计，并解释HLS在这一抽象层次体系中的定位。

门级设计（Gate-Level Design）

定义与特点

门级设计是硬件描述中最低的抽象级别，直接使用基本逻辑门（如AND、OR、NOT、NAND、XOR等）和触发器构建电路。它是最接近实际硬件实现的描述方式。

主要特点：

• 低层抽象：直接操作基本逻辑元件
• 精确控制：对电路时序和资源有最精确的控制
• 复杂度高：大型系统设计极其复杂和耗时
• 可见性强：电路结构和行为直观可见
• 优化空间小：主要依赖设计者的经验和技巧

代码示例

module half_adder (
    input a, b,
    output sum, carry
);
    // 使用基本逻辑门实现
    xor x1 (sum, a, b);    // sum = a XOR b
    and a1 (carry, a, b);  // carry = a AND b
endmodule

适用场景

• 底层IP核设计（需要极高性能或极低资源的模块）
• 时序关键路径优化
• 标准单元库开发
• 教学和学习基本数字电路原理

RTL级设计（Register Transfer Level Design）

定义与特点

RTL级设计关注数据如何在寄存器之间传输和处理。它使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）描述电路的数据流和控制逻辑，而不直接操作逻辑门。RTL是当前FPGA和ASIC设计中最常用的抽象级别。

主要特点：

• 中层抽象：介于门级和行为级之间
• 平衡性好：在设计效率和硬件控制之间取得良好平衡
• 行业标准：数字IC设计的主流方法
• 可综合性强：可直接被综合工具转换为门级网表
• 模块化：可以通过模块和子模块的方式组织电路

代码示例

module counter #(
    parameter WIDTH = 8
)(
    input clk, reset, enable,
    output reg [WIDTH-1:0] count
);
    // 时序逻辑描述
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset)
            count <= {WIDTH{1'b0}};  // 复位时计数器清零
        else if (enable)
            count <= count + 1'b1;   // 使能时计数器加1
    end
endmodule

适用场景

• FPGA设计（大多数FPGA项目使用RTL级设计）
• ASIC设计（从规格到门级网表的主要设计方法）
• 处理器和控制器设计
• 接口电路实现
• 工业应用（几乎所有商业数字IC设计）

行为级设计（Behavioral Level Design）

定义与特点

行为级设计关注功能和算法，而不是具体的硬件实现细节。它使用更高层次的抽象来描述系统的行为，通常采用顺序执行的编程风格，类似于软件编程。

主要特点：

• 高层抽象：关注"做什么"而非"怎么做"
• 设计效率高：开发速度快，代码量少
• 可读性强：更接近自然语言和算法描述
• 易于修改：功能变更和迭代更加容易
• 快速仿真：可以比RTL级更快速地进行功能验证

代码示例

module sort #(
    parameter WIDTH = 8,
    parameter SIZE = 16
)(
    input clk, reset, start,
    input [WIDTH-1:0] data_in [SIZE-1:0],
    output reg done,
    output reg [WIDTH-1:0] data_out [SIZE-1:0]
);
    reg [WIDTH-1:0] temp;
    integer i, j;
    reg [2:0] state;
    
    // 使用行为级描述实现冒泡排序
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            done <= 0;
            state <= 0;
        end else begin
            case (state)
                0: if (start) begin
                    // 初始化
                    for (i = 0; i < SIZE; i = i + 1)
                        data_out[i] <= data_in[i];
                    i <= 0;
                    state <= 1;
                end
                
                1: begin
                    // 外层循环
                    if (i < SIZE-1) begin
                        j <= 0;
                        state <= 2;
                    end else begin
                        done <= 1;
                        state <= 0;
                    end
                end
                
                2: begin
                    // 内层循环
                    if (j < SIZE-i-1) begin
                        // 比较和交换
                        if (data_out[j] > data_out[j+1]) begin
                            temp <= data_out[j];
                            data_out[j] <= data_out[j+1];
                            data_out[j+1] <= temp;
                        end
                        j <= j + 1;
                    end else begin
                        i <= i + 1;
                        state <= 1;
                    end
                end
            endcase
        end
    end
endmodule

适用场景

• 算法验证（快速验证复杂算法的功能正确性）
• 测试平台开发（为RTL设计创建仿真环境）
• 系统级建模（早期系统探索和架构评估）
• 高层次综合输入（作为HLS工具的输入描述）
• 复杂数据处理（图像处理、信号处理等算法实现）

高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）

定义与抽象级别定位

高层次综合（HLS）是一种将高层次语言（如C、C++或SystemC）描述的算法自动转换为RTL级硬件描述的技术。HLS工具分析高层次代码，提取并行性，生成满足指定约束的RTL实现。

HLS在抽象层次中的位置：
HLS (High-Level Synthesis) 可以被视为一种行为级设计方法，它接受行为级或更高级别（接近软件级别）的输入，产生RTL级的输出：

软件/算法级  →  HLS  →  RTL级  →  门级

HLS可以被视为一种桥接技术，它允许设计者在更高抽象级别工作，同时获得RTL级的实现。

特点

• 高抽象级输入：使用C/C++等高级语言描述算法
• 自动转换：自动从高级语言生成RTL代码
• 设计空间探索：可以快速评估不同实现选项
• 指令控制：通过编译指令控制生成的硬件结构
• 快速迭代：加速设计-验证-优化循环

代码示例

// 使用C++描述FIR滤波器
#include "ap_int.h"
#include "hls_stream.h"

void fir_filter(
    hls::stream<int> &input_stream,
    hls::stream<int> &output_stream,
    const int coefficients[16],
    int filter_size
) {
    #pragma HLS INTERFACE axis port=input_stream
    #pragma HLS INTERFACE axis port=output_stream
    #pragma HLS INTERFACE s_axilite port=coefficients
    #pragma HLS INTERFACE s_axilite port=filter_size
    #pragma HLS INTERFACE s_axilite port=return
    
    static int shift_reg[16];
    #pragma HLS ARRAY_PARTITION variable=shift_reg complete
    
    // 实现FIR滤波器
    while (!input_stream.empty()) {
        // 读取输入
        int input;
        input_stream.read(input);
        
        // 移位寄存器更新
        for (int i = filter_size-1; i > 0; i--) {
            #pragma HLS UNROLL
            shift_reg[i] = shift_reg[i-1];
        }
        shift_reg[0] = input;
        
        // 计算输出
        int output = 0;
        for (int i = 0; i < filter_size; i++) {
            #pragma HLS PIPELINE II=1
            output += shift_reg[i] * coefficients[i];
        }
        
        // 写入输出
        output_stream.write(output);
    }
}

优势与挑战

优势：

• 设计效率提高：减少编码时间，加快开发周期
• 更高抽象级别：专注于算法而非硬件细节
• 软件工程师可参与：降低硬件设计门槛
• 快速设计空间探索：容易尝试不同实现选项
• 代码重用性高：高层次代码更易于移植和重用

挑战：

• 性能优化复杂：生成的RTL可能需要手动优化以达到最佳性能
• 学习曲线：需要理解HLS特定的编程模式和优化指令
• 调试困难：高层次代码与生成的RTL之间的映射关系不直观
• 工具限制：不同HLS工具的支持特性和性能各不相同

适用场景

• 算法加速（信号处理、图像处理、机器学习等）
• 快速原型设计
• 设计空间探索
• 软硬件协同设计
• 遗留C/C++代码的硬件实现

各抽象级别的比较

总结

数字硬件设计的抽象级别从门级到行为级形成了一个完整的层次结构，每个级别都有其独特的特点和应用场景：

• 门级设计是最底层的抽象，直接操作逻辑门和触发器，提供最精确的硬件控制，但设计复杂度高。
• RTL级设计关注数据在寄存器之间的传输和处理，是当前数字IC设计的主流方法，在设计效率和硬件控制之间取得良好平衡。
• 行为级设计关注功能和算法，不涉及具体的硬件实现细节，设计效率高但对硬件控制有限。
• HLS (High-Level Synthesis) 可以被视为一种行为级设计方法

随着数字系统复杂度的不断提高，设计抽象级别也在不断提升。 高层次综合HLS 接受高级语言输入，自动生成RTL实现，结合了高抽象级别的设计效率和RTL级的硬件控制。HLS作为一种相对较新的方法，正在改变传统的硬件设计流程，使软件工程师能够参与硬件加速器设计，缩短开发周期，并实现更复杂的算法。