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高级编程语言vs硬件描述语言

Feb 8th, 2019  0

很多老师都将硬件描述语言当成一门编程语言来教，我本人也一直认为硬件描述语言与传统的编程语言类似，只不过添加了时序特征。 但其实这都是非常不正确的，硬件描述语言并不同于传统的编程语言，它更多是所见即所得–用于描述硬件功能，而不是告知程序如何运行…

对比

  • 高级编程语言(High-Level Programming Language, HLL)大家都比较熟悉，如C/C++/Java/Python等等都属于这个范畴，它告诉计算机程序的执行过程，即怎么做(how)
  • 硬件描述语言(Hardware Description Language, HDL)重点则在于描述，目前主流的有Verilog和VHDL，它告诉计算机电路图的模样/电路图是怎么连的（输入输出端口、连接方式等），即是什么(what)

虽然Verilog语法与C类似（就像很多伪代码也会用类C的语法，会用//作为注释符等等），但它们本质上是完全不同的，也就是前面所说的要区分编程与描述两者之间的差异。

  • HDL与HLL最大的区别在于HDL显性包含了时间的语义，但HLL是没有的，这也是HLS关键要处理的一个问题。
  • HLL是过程性的(procedural)，更HDL更多包含了并行(concurrency)的元素
  • HLL编译后将产生一条条指令，而HDL编译后则直接变成一个个门

三种硬件描述语言的形式

  1. 结构化模型(structural modeling)：照着原理图(schematic)给出元件名，是什么，输入输出是什么
    • 例化 and U1 (c,a,b)
  2. 数据流模型(dataflow modeling)：直接给出输入与输出的逻辑表达式
    • 连续赋值 assign y=(a&b)|(~c)
  3. 行为模型(behavior modeling)：
    • 真值表 case

历史

  • 1971，引入RTL及第一门有影响力的HDL(Golden Bell)
  • 1985，第一门现代的HDL Verilog诞生(Gateway Design Automation)
  • 1987，VHDL(US Department of Defense)

现状

由前面的历史可以知道Verilog最开始是被设计为一门模拟(simulation)的语言，用于debug因而赋予了更多功能，但这些testbench是不会放入板上的； 而不是用于综合(synthesis)，即它是一个可综合语义的超集(superset of synthesizable syntax)。

因而这样的语言在编写过程中会出现很多问题，后面才会出现更多新的语言。 下面主要提及两个，一个是UCB设计的Chisel，另一个是Stanford设计的Spatial。

Chisel

Chisel (Constructing Hardware In a Scala Embedded Language)

传统HDL的缺点：

  • 可综合部分必须从语言当中推断
  • 缺少现代语言的抽象设施
  • 需要大量进行设计空间探索(design space exploration, DSE)，但难以参数化

解决方法有：

  • 采用宏(macro)语言（如Perl, Python），自动生成大量重复的模块；但这实际上只是简单的替代，且需要大量人工编写优化的替代文本，根本没有考虑到硬件的类型及语义
  • 领域专用语言，但不通用

因而采用嵌入宿主语言的方案。

Spatial

Spatial (Specify Parameterized Accelerators Through Inordinately Abstract Language)

简介

  • C/C++并不适合用作硬件综合语言，因无法显式控制内存、无法并行（不加并行库）
  • Chisel寄于Scala做了抽象，具有强大的元编程能力，但依然是在有时序的电路层进行电路设计

HDL

  • 性能(performance)高：能够生成任意RTL结构
  • 生产力(productivity)低：没有高层抽象
  • 可移植性(portability)低：大量针对目标硬件的(target-specific)程序

HLS (C+Pragmas)

  • 性能低：无法处理内存层级结构，不能处理任意流水
  • 生产力一般：可以处理嵌套循环，但混杂着软件和硬件的特性(ac-hoc mix of sw/hw)，且难优化
  • 可移植性：针对单一生产商

Rethink outside of the C box for HLS

一门好的高层硬件语言应该可以

  • 依赖分支、嵌套循环
  • 存储层次结构
    • 片外(DRAM)
    • 片上(BRAM)
    • 寄存器
  • 异构主机接口(host interfaces)
  • 设计空间探索

语法

Experimental results

编译器

Scala写的编译器，编译到Chisel Spatial passes HyperMapper调参

参考资料

  1. 硬件描述语言的可综合性是什么？如何保证它的实现？ - 林名的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/263578952/answer/295405073
  2. Hardware Description Language, https://en.wikipedia.org/wiki/Hardware_description_language
  3. Register-Transfer Level, https://en.wikipedia.org/wiki/Register-transfer_level
  4. https://www.design-reuse.com/articles/7330/fpga-programming-step-by-step.html
  5. 串讲数字电路与系统设计之一：三种硬件描述语言的形式 - 其实我是老莫的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/51477553
  6. Jonathan Bachrach, et al., Chisel: Constructing Hardware in a Scala Embedded Language, DAC, 2012
  7. David Koeplinger, et al., Spatial: A Language and Compiler for Application Accelerators, PLDI, 2018

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