写在前面
本文是本系列专题的第十三篇，参考高亚军老师的视频教程以及课程的ppt，主要介绍了vivado HLS对数组优化。
数组分割
resource指令可以指定使用哪种类型的RAM，从而创建哪些RAM端口(单端口或双端口)。如果没有指定资源，Vivado HLS默认使用为单端口RAM。如果它减少启动间隔或减少延迟，则会使用双端口RAM。
数组通常在综合后被实现为存储器(RAM, ROM或FIFO)
- 顶层函数接口上的数组被合成为访问外部内存的RTL接口。
- 内部设计的数组被合成为内部块RAM, LUTRAM, UltraRAM，或寄存器，取决于优化设置。
性能瓶颈
这里把men进行综合成为了双端口RAM，性能上进行了很大程度的优化。
三种数组分割的方法
进行数组分割的三种方法如下，
Block：可以进行设置Block的方式进行分割，该分组方式是顺序分割的。假设循环次数为6 ，这里按3组分割，每两个一组。
Cycllc：可以进行设置Cycllc的方式进行分割，该分组方式是轮序分割的。假设循环次数为6 ，这里按3组分割，每两个一组。
Register：设置为register发方式，循环将会展开成完全并行。指令的参数设置为complete
性能评估对比：
Block、Cycllc的性能基本一致，而Register（complete）的方式是最佳的。
分割的块越多越好吗？
分割的块数可根据实际数据流进行设置。通过这种方式，我们可以得到延迟和资源利用率的最佳结果，但更多的块将意味着更多的端口将生成。
从下图可以看到，分块的数量会适度影响到资源的使用情况。
多维数组
对多维数组的分割，定义维度为按顺序的1、2、3…如果在维度为3时进行分割，该实例会得到4个二维数组，如果在维度为1时进行分割，该实例会得到10个二维数组。
下面这个例子，展示了对不同维度分割成不同个数的块的情况：
在指定分割个数为4时，这里的二维数组分割成了4个block；在指定分割个数为2时，这里的二维数组分割成了2个block。
从仿真结果中也可以看出两种情况的读取数据的状态的区别。
数组分割小结
- HLS可以使用三种方法进行数据的分割。
- 数组分割可以提升数据的吞吐率。
数组的映射和重组
多个数组映射成一个大数组
当C代码中有许多小数组时，将它们映射到一个更大的数组通常会减少所需的块RAM数量。当设备支持时，每个阵列被映射到块RAM或UltraRAM。HLS使用ARRAY_MAP指令进行map操作，提供了两种MAP的方式，一个是横向的一个是纵向。
水平映射
**水平映射：**获取一个包含更多元素的数组。使用这种方法可以不用关注数据的位宽，最后的数组的位宽是N+M。（下图示例）
可以使用offset进行数据偏移。但是尽管水平映射可以导致使用更少的块RAM组件，从而“改善区域”，但它确实对吞吐量和性能有影响，因为现在有更少的块RAM端口。
**垂直映射：**获取具有较大位宽的单个数组。
和水平映射相反，这里不需要关注数组的长度，长度将会选择拼接数组的最大值。
数据分割和合并可以同时联合使用
这里的先使用分割，然后把分割的模块进行部分合并，这样做的目的是在减少资源的同时提高一定的数据吞吐率。
数据重组
ARRAY_RESHAPE数组重组指令结合了ARRAY PARTITION和ARRAY MAP的垂直模式。-使用数据重组减少块RAM的数量，仍然允许分区的有益属性:并行访问数据。
示例：
对上述例子分别使用水平映射、垂直映射、还有重组的方式。
从上图结果中可以看出，对于使用MAP指令，减少了RAM的使用量，但是不能提升数据的吞吐量。而使用RESHAPE指令，通过ARRAY PARTITION，提高数据吞吐量。通过ARRAY_MAP可以降低RAM的利用率。从而做到数据吞吐量和区域之间的权衡。
数组优化的其他方法
定义ROM
使用const +initial value
定义ROM的一种实用方法是使用const +initial value。这种方法简单易行，但是也有弊端，在我们的初始值比较多的时候，不方便进行手动输入，并且提高了维护代码的难度。
使用头文件
可以使用头文件的方式进行定义ROM，这样操作简单易行，提高了实用性，降低了代码管理和工程维护的难度。
这里需要注意的是，这个#include需要单独占一行。rom内部的文件格式如下
如果数值由数学方程计算而未更新。Vivado HLS将推断一个ROM。
改变ROM的输出延迟
默认情况下，ROM输出时延为2。可以增加ROM输出延迟，意味着插入一级寄存器，这使得时序收敛更加容易。
latency改变后的生成代码对比：
数组的初始化
虽然不是必需的，但Xilinx建议指定数组，使用静态限定符将其实现为内存。这不仅确保Vivado HLS在RTL中使用内存实现数组，还允许使用静态类型的初始化行为。
如果不加static的关键字，每次执行函数时，数组coeff都被赋给这些值。每次设计执行时，实现coeff的RAM都被加载这些值。对于一个单端口RAM，这将花费8个时钟周期，在此期间不会发生有涉及到coeff的操作。
如果加static的关键字，数组在执行开始时已经用指定的值初始化。静态数组在C代码中的行为就像内存在RT中的行为一样。
此外，如果变量具有静态限定符，Vivado HLS将在RTL设计和FPGA位流中初始化该变量。这消除了初始化内存需要多个时钟周期。
数组优化小结
- Xilinx强烈建议对希望成为内存的数组使用
static限定符。正如在数组初始化中所指出的，静态类型的行为与RTL中的内存几乎相同。 - 当只读取数组时，也建议使用
const限定符，因为Vivado HLS不能总是通过对设计的分析来推断应该使用ROM。
