我們在設計硬件時，它往往是要求更精確的位寬。例如，一個filter的輸入是12位和一個累加器的結果只需要一個最大范圍為27位。然而對于硬件設計來說，使用標準的C數據類型會造成硬件成本的浪費。這就會造成我們要使用更多的LUT和寄存器，延遲甚至可能超過時鐘周期和需要更多的周期來計算結果。這往往不是我們需要的結果。因此下面我將介紹如何利用Vivado HLS處理許多位準確或任意精度數據類型，以及允許使用任何(任意)寬度的模型變量。

C-base 數據類型

我們從硬件的角度來看數據類型，采用C/C++的數據類型都是以8bit為邊界，即：

? char (8-bit)

? short (16-bit)

? int (32-bit)

? long long (64-bit)

? float (32-bit)

? double (64-bit)

? 確切的寬度的整數類型如int16_t (16-bit) 和 int32_t (32-bit)

注意：char16_t和char32_t在Vivado Hls 中是不支持的

從上面發現，C的數據位寬是比較死板的，然而描述RTL里面的位寬是任意的。

例如，采用C語言去描述一個18*18 bits的乘法器，那么就需要將輸入數據都聲明為32 bits(int)，結果聲明為64 bits(long long)，這將會在FPGA中消耗4個DSP48E1，顯然這是很浪費資源的。

任意精度數據類型 Language Integer Data Type Required Header

C ? [u]int< W>(1024 bits) ? .#include< ap_cint.h>

C++ ? ap_[u]int< W>(1024 bits) ? .#include< ap_int.h>

C++ ? ap_[u]fixed< W,I,Q,O,N> ? .#include< ap_fixed.h>

其優點有：1.更高的時鐘頻率 2.更好的數據吞吐率 3.消耗資源更少

因此，使用任意精度數據類型能以更少的資源，獲得相同的精度，同時可以運行在更高的時鐘頻率下。

注意：在聲明任意數據類型的時候，我們往往在頭文件里面聲明，這會使得我們在做debug的時候會非常有用。

C-base 數據類型project

Step1 創建和打開project

I.打開Vivado HLS Command Prompt，按照下圖輸入命令

II.輸入vivado_hls -p window_fn_prj

Step2 Review Test Bench 和run C SimulaTIon

I.在Source打開window_fn_top.cpp

II.找到window_fn_top.h，按住Control鍵，并右擊，打開window_fn_top.h(頭文件)

在這里，我們可以看到，本設計所有數據類型的操作都是標準C/C++的浮點型。

III點擊Run C SimulaTIon

Step3 Run C SimulaTIon 和 Review Results

I.點擊Run C Synthesis

圖中我們發現，頂層中的instances占用了大部分資源。

II.打開Interface Summary

III.點擊Analysis，打開winfn_loop

這是浮點型乘法器(fmul)，圖中可以看出，第一個狀態是讀取內存操作(兩個周期)，然后是fmul操作(五個周期)，最后的操作狀態是一個寫內存操作(一個周期)

III.退出Vivado Hls，并返回到command prompt

任意數據類型project

Step1 創建和仿真project

I.打開Vivado HLS Command Prompt，按照下圖輸入命令

II.輸入vivado_hls -p window_fn_prj

III.在Source打開window_fn_top.cpp

IV.找到window_fn_top.h，按住Control鍵，并右擊，打開window_fn_top.h(頭文件)

這里的數據類型的操作是ap_fixed點類型，它類似于float和double(因為它們支持整數和分數位表示的類型)，window_fn_top.h是唯一不同于上一個project的頭文件。這些數據類型是在頭文件中定義的ap_fixed。

注意：你可以通過修改C代碼，將任意精度類型代替標準C類型，在這里必須做的更改是減少數據類型的大小。在這例子中，我們使用8位，24位，和18位，而不是32位浮點類型。通過較少的操作，減少面積，和更少的時鐘周期就可以完成project。我們也可以改變更常見的C類型(如int，short，和char)，例如，更改數據類型(18位int(32位))可以確保只要一個dsp48就可以執行任何乘法，但是你必須確認設計仍然執行正確的操作和它這樣做所需的精度。由VIvado Hls提供的任意精度類型的好處是，可以仿真更新的C代碼來確認其功能和準確性。

V.點擊Run C SimulaTIon

控制臺面板顯示了C仿真的結果。隨著數據類型的更新，結果不再跟預期結果相同，然而他們是在誤差范圍內。

Step2 Run C Synthesize和 Review Results

I.點擊Run C Synthesis

注意：通過使用任意精度類型，已經減少了延遲和面積(50%和80%)，并簡化了RTL硬件的操作。由于memory中的總位小于1024 bit，所以現在是自動執行LUTs和FFS而不是模塊RAM。

II.打開Interface Summary

注意:現在的數據端口是8 bits和24 bits

III.點擊Analysis，打開winfn_loop

總結

本文介紹任意精度數據類型的處理方法。通過Vivado HLs中兩個project的比較，得到結論，跟C-base 數據類型相比，使用任意精度數據類型能以更少的資源，獲得相同的精度，同時可以運行在更高的時鐘頻率下。