Vitis HLS 学习笔记--FRP自由运行流水线

1. 简介

在Vitis HLS中，FRP自由运行流水线（Free Running Pipeline）是一种流水线风格的架构，它即使在没有输入数据的情况下也会运行。这种架构优化了频率，因为它减少了寄存器使能信号的扇出，简化了流水线控制逻辑。FRP流水线通常用于需要避免因为停滞而导致的性能下降或死锁的场合。

FRP流水线与传统的可刷新流水线（flushable pipeline）相比，有以下优点：

• 没有使用限制：不会因为缺少输入数据而停滞。
• 资源使用最少：通常情况下，FRP流水线会使用较少的资源，但这并不是绝对的。
• 更好的时序：由于减少了流水线控制信号的扇出，可以获得更好的时序性能。

FRP流水线也有一些限制和缺点，例如：

• 不可刷新：如果下一次迭代的输入数据缺失，已经计算出的输出可能无法被传递。
• 可能导致数据流中的死锁：在数据流架构中，如果流水线停滞，可能会导致死锁。
• 对于MAXI接口不支持：FRP流水线不支持MAXI接口，这可能限制了其在某些应用场景中的使用。

要实现FRP流水线，可以使用#HLS pragma pipeline style=frp指令来指定特定流水线的风格，或者使用config_compile -pipeline_style frp全局配置。

2. 代码分析

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

int accumulate(double A[]) {
#pragma HLS inline off

    double acc = 0.0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        std::cout << "A: " << A[i] << std::endl;
        acc += A[i];
    }
    return acc;
}

void process(hls::stream<double>& strm_in, hls::stream<double>& strm_out) {
#pragma HLS inline off

    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        double tmp;
        tmp = strm_in.read();
        strm_out.write(tmp);
    }
}

void inner(double A[8], hls::stream<double>& stream_in, double* out) {
#pragma HLS pipeline

#pragma HLS INTERFACE ap_fifo port = stream_in
    double regA[8];
#pragma HLS ARRAY_PARTITION variable = regA complete
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        double tmp;
        tmp = stream_in.read();
        regA[i] = A[i] + tmp;
    }

    *out = accumulate(regA);
}

void free_pipe_mult(double A[8], hls::stream<double>& strm, double* out) {
#pragma HLS DATAFLOW
#pragma HLS INTERFACE ap_fifo port = strm

    double B[8];

    for (int i = 0; i < 8; i++)
        B[i] = A[i] + i;

    hls::stream<double> strm_out;
    process(strm, strm_out);
    inner(B, strm_out, out);
}

 代码功能解释：

• accumulate 函数功能：计算一个双精度浮点数数组的累加和。 
• process 函数功能：从输入流中读取数据，并将其写入输出流。
• inner 函数功能：从输入流中读取数据，与数组 A 中的数据相加，然后调用 accumulate 函数计算结果。
• free_pipe_mult 函数功能：实现数据流模型，将数组 A 的每个元素与其索引相加，然后通过流处理和 inner 函数计算最终结果。

 需要配置编译指令：

# Set any optimization directives
config_dataflow -default_channel fifo -fifo_depth 16
config_compile -pipeline_style frp
set_directive_interface -mode ap_fifo "free_pipe_mult" B
set_directive_interface -mode ap_fifo "free_pipe_mult" out
# End of directives

3. 总结

FRP自由运行流水线是一种高效的硬件架构风格，它通过持续运行来优化性能，即使在没有新的输入数据时也不会停滞。这种设计简化了控制逻辑，减少了资源使用，并提高了时序性能。然而，FRP流水线也有其局限性，如不支持MAXI接口，且在某些情况下可能导致死锁。

代码示例展示了如何在Vitis HLS中使用FRP流水线和数据流指令来优化硬件设计。accumulate 函数计算数组的累加和，process 函数处理数据流，inner 函数结合输入流和数组数据进行计算，而 free_pipe_mult 函数则整合了这些操作，展示了一个完整的数据流模型。这些函数通过HLS指令进行了优化，以实现并行执行和性能提升。这段代码和FRP流水线的概念为硬件设计师提供了一种提高硬件性能和效率的方法。