基于 Vitis HLS 的单个乘法 DSP 映射研究

本文主要是介绍基于 Vitis HLS 的单个乘法 DSP 映射研究，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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2 引言

ZCU106 的DSP型号为 DSP48E2，支持的最大乘法位宽是 27-bit x 18-bit;
目标：通过简单的单个元素乘法，观察 HLS 工具将不同位宽的乘法映射为几个DSP

• Vitis HLS 2021.1
• ZCU106

以下结论的成立的前提是相信 HLS C综合后报告结果是正确的，因为本文主要研究对于HLS工具而言，是将不同位宽的乘法映射为几个DSP。所以不会使用 Vivado 进一步进行验证。
但实际上，Vitis HLS 和 Vivado 的综合结果是会有一定的差距的。

3 整数乘法

• 测试代码：

#include <ap_int.h>constexpr unsigned int IN_SIZE  = 20;
typedef ap_int<32> int_test;
void pixel_mul_int(int_test input[IN_SIZE],int_test weight[IN_SIZE],int_test output[IN_SIZE]){for(int i=0; i<IN_SIZE; i++){#pragma HLS PIPELINE II=1output[i] = input[i] * weight[i];}}

通过一个 for 循环实现 IN_SIZE 次元素相乘

• 32位 x 32位
  
  32 位整数乘法需要 3 个DSP

2 个时钟周期完成单次迭代计算，周期1读input和weight, 周期2 进行乘法计算

• 27 位 x 27 位
  
  27 位整数乘法需要 2 个DSP

• 18位 x 18 位 | 17位 x 17位
  
  18位整数乘法需要 1 个DSP
  问题：使用单个DSP，为什么 Iteration Latency就从 2 变成了 5
  
  从调度图中可以看到，此时乘法需要三个时钟周期才能完成，导致完成单次迭代的时间变长

• 16 位 x 16 位 | 14 位 x 14 位 | 12位 x 12位 | 11位 x 11位
  

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• 10位 x 10位
  

• 8 位 x 8 位
  
  不再占用DSP，使用 LUT 计算

• 6 位 x 6 位
  

• 4位 x 4 位
  

所以对于整数乘法总结如下：

• 当被乘数位宽 > 27-bit， 乘数位宽 > 18-bit 需要3个DSP实现； 当被乘数位宽 <= 27-bit， 乘数位宽 > 18-bit 需要2个DSP实现；当被乘数位宽 <= 27-bit， 乘数位宽 <=18-bit 需要1个DSP实现;
• 当乘数与被乘数的位宽均较小时（这里临界点是 10位整数乘法），将不会映射到DSP硬核上计算，而是采用LUT实现。并且随着位宽的继续减少，所用的LUT资源也会随之减少。

4 定点乘法

• 测试代码：

#include <ap_fixed.h>constexpr unsigned int IN_SIZE  = 20;
typedef ap_fixed<32, 10> fixed_mul;
void pixel_mul_fixed(fixed_mul input[IN_SIZE],fixed_mul weight[IN_SIZE],fixed_mul output[IN_SIZE]){for(int i=0; i<IN_SIZE; i++){#pragma HLS PIPELINE II=1output[i] = input[i] * weight[i];}}

• 32位有符号定点数计算 — ap_fixed<32, 20> | ap_fixed<32, 10> | ap_fixed<32, 5>
  
  与 32 位整数计算的综合结果一样， 且整数位的大小不影响最终结果，综合结果只和乘数和被乘数的位宽有关。即 DSP 能实现支持位宽内的定点小数乘法。

• 27位有符号定点数计算 — ap_fixed<27, 10>
  

• ap_fixed<32, 10> x ap_fixed<16, 2>
  

HLS 内启动 Implementation

• 18位有符号定点数计算 — ap_fixed<18, 10>
  

• 10位有符号定点数计算 — ap_fixed<10, 5>
  

5 浮点乘法

• fp32 x fp32
  
  遇到的问题：无法打开调度图,
  通过重启 Vitis HLS ，重新C综合后解决该问题
  
  第0周期和第1周期读取输入数据，第2，3，4周期进行乘法计算，第5周期写回结果

6 总结

• 整数乘法和定点乘法，只有乘数和被乘数的总位宽不变，乘法在 DSP 实现的策略一样，延迟和占用个数不会改变。
• 在使用 HLS 工具进行硬件开发时，在满足精度的前提下，可以通过限制乘数和被乘数在目标 DSP 硬核的输入范围内，避免浪费DSP资源。

待解决问题：

• Q: DSP48E2 是否可以直接支持整数运算、定点运算以及浮点运算？
  可能需要通过 Vivado 调用 DSP IP 进行更深入的研究

这篇关于基于 Vitis HLS 的单个乘法 DSP 映射研究的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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