[高位合成] IFプロトコルの話

IFの説明

高位合成では複数のIFが用意されてあります。
なので今回はIFの説明になります。

概要

一口にIFと言っても複数あります。大きく分けると以下です。

• ポートレベルのIF
• バス(AXI)のIF
• ブロックレベルのIF

そのうちバス以外のIFについて説明します。バスは別途します。

早速説明する前に、そもそもポートレベルとブロックレベルのIFとは何を指しているのかを説明します。

ポートレベルのIFとは

関数の入出力信号のプロトコルになります。
例えば以下のコードがあった場合、

void function(int a, int b, int* c)
{

}

aとbとcに対するプロトコルになります。
このように普通に書くとプロトコルなしの信号になります。言い換えるとデータ線のみになります。

ブロックレベルのIFとは

モジュールに対しての制御プロトコルになります。
先ほどと同じコードを例にすると、こちらはfuctionモジュールに対してのプロトコルになります。

ポートレベルでのプロトコル

ポートレベルのIFですが、大きく3つのカテゴリーがあります。

• レジスタ
• ストリーム
• メモリ

順に説明してきます。

また、プロトコルの指定の仕方ですが、#pragma HLS interfaceで指定します。

レジスタ系

スカラーデータがこれに当てはまります。

プラグマ：#pragma HLS interface ap_none port = xxx
プロトコル：プロトコルなし
説明：単純なデータ線のみの信号(つまりソースコードに書いた信号のみ)
例：

void function(uint16_t a, uint16_t* b)
{
#pragma HLS interface ap_none      port = a
#pragma HLS interface ap_none      port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = return

    *b = a * 10;
}

---

プラグマ：#pragma HLS interface ap_vld port = xxx
プロトコル：valid信号あり
説明：データ線にvalid信号を付与する
例：

void function(uint16_t a, uint16_t *b)
{
#pragma HLS interface ap_vld       port = a
#pragma HLS interface ap_vld       port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = return

    *b = a * 10;
}

---

プラグマ：#pragma HLS interface ap_ovld port = xxx
プロトコル：valid信号あり(入出力信号)
説明：出力のデータ線にvalid信号を付与され、入力のデータ線にはap_noneが適用される。
例：

void function(uint16_t a, uint16_t *b)
{
#pragma HLS interface ap_none      port = a
#pragma HLS interface ap_ovld      port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = return

    *b = a * *b;
}

---

プラグマ：#pragma HLS interface ap_ack port = xxx
プロトコル：ack信号あり
説明：
入力データに対しては出力のack信号が生成され、入力が読み出されたタイミングでアサートされる。
出力データに対しては入力のack信号が生成され、出力が読み出されたことを確認される。
例：

void function(uint16_t a, uint16_t *b)
{
#pragma HLS interface ap_ack       port = a
#pragma HLS interface ap_ack       port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = return

    *b = a * 10;
}

CoSimでは出力のack信号を使用するデザインは検証できないです

---

プラグマ：#pragma HLS interface ap_hs port = xxx
プロトコル：今までの全部入りのプロトコル
説明：2方向によるハンドシェイク
例：

void function(uint16_t a, uint16_t *b, uint16_t *c)
{
#pragma HLS interface ap_hs   port = a
#pragma HLS interface ap_hs   port = b
#pragma HLS interface ap_hs   port = c
#pragma HLS interface ap_none port = return

    *b = a * *c;
    *c = a;
}

メモリ系

配列データがこれに当てはまります。

プラグマ：#pragma HLS interface bram port = xxx
プロトコル：シングルポートのメモリアクセス
説明：RAMのインターフェースとして合成される
例：

void function(uint16_t a[10], uint16_t *b)
{
#pragma HLS interface bram       port = a
#pragma HLS interface ap_none    port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = return

    uint16_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
#pragma HLS pipeline ii = 1
        sum += a[i];
    }

    *b = sum;
}

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プラグマ：#pragma HLS interface ap_memory port = xxx
プロトコル：インターフェースが分離されたメモリアクセス
説明：RAMのインターフェースとして合成される
例：

void function(uint16_t a[10], uint16_t *b)
{
#pragma HLS interface ap_memory  port = a
#pragma HLS interface ap_none    port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = return

    uint16_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
#pragma HLS pipeline ii = 1
        sum += a[i];
    }

    *b = sum;
}

以下のように読み取りと書き込みの両方があればデュアルポートとしてIFが生成されます。

void function(uint16_t a[10])
{
#pragma HLS interface ap_memory  port = a
#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = return

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
#pragma HLS pipeline ii = 1
        a[i] = a[i] + 10;
    }
}

bramとap_memoryの違い

ストリーム系

こちらも配列データがこれに当てはまります。

プラグマ：#pragma HLS interface ap_fifo port = xxx
プロトコル：FIFOアクセス
説明：FIFOのインターフェースとして合成される
例：

void IfRegister(uint16_t a[5], uint16_t *b)
#pragma HLS interface ap_fifo    port = a
#pragma HLS interface ap_vld     port = b
#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = return

    uint16_t sum = 0;
    for (uint16_t i = 0; i < FIFO_DEPTH; i++) {
        sum += a[i];
    }

    *b = sum;
}

ブロックレベルの制御プロトコル

プラグマ：#pragma HLS interface ap_ctrl_chain port = retrun
プロトコル：以下図

説明：チェーン制御
例：

void function(uint16_t a[5], uint16_t b[5], uint16_t* c)
{
#pragma HLS interface ap_memory     port = a
#pragma HLS interface ap_memory     port = b
#pragma HLS interface ap_memory     port = c
#pragma HLS interface ap_ctrl_chain port = return

    static uint16_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        sum = sum + a[i] + b[i];
    }

    *c = sum;
}

---

プラグマ：#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = retrun
プロトコル：先ほどのap_ctrl_chainのap_continue信号が常に1になる。
説明：シーケンシャル制御
例：

void function(uint16_t a[5], uint16_t b[5], uint16_t* c)
{
#pragma HLS interface ap_memory  port = a
#pragma HLS interface ap_memory  port = b
#pragma HLS interface ap_memory  port = c
#pragma HLS interface ap_ctrl_hs port = return

    static uint16_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        sum = sum + a[i] + b[i];
    }

    *c = sum;
}

ここでap_ctrl_chainとの違いですが、ざっくり以下です。

動作イメージ
・ap_ctrl_chain
① 前段モジュールがap_startを出力
② 本モジュールが処理し、ap_doneを出力
③ 後段モジュールがap_continueを出力することでチェーン継続

・ap_ctrl_hs
① ソフト or 他モジュールがap_startを出力
② 本モジュールが処理し、ap_doneを出力
③ 再度ap_startを受け処理を開始

まとめ：
ap_ctrl_chainは自律的に各モジュール同士が連携し常に動作するイメージ。
ap_ctrl_hsはどこかからトリガーを受けて単発で動くイメージ。

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プラグマ：#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = retrun
プロトコル：プロトコルなし
説明：プロトコルがないため、常にパイプラインで処理したい場合などで有利
例：

void function(uint16_t a, uint16_t b, uint16_t* c)
{
#pragma HLS interface ap_none      port = a
#pragma HLS interface ap_none      port = b
#pragma HLS interface ap_none      port = c
#pragma HLS interface ap_ctrl_none port = return

    uint16_t sum = 0;

    sum = a + b;

    *c = sum;
}

IF編はこれにて終了。