【精品博文】吴明系列博文：FPGA 需要怎样的编程语言来做HLS？

《FPGA 何去何从》中我提到FPGA 更高级别的设计方式，姑且就叫HLSL（High Level Synthesis Language）吧，区别与Xilinx的 HLS。本文我就聊聊什么样的编程语言更合适用来做HLS，C，Python，Ruby，Go，SystemVerilog......,又或者都不是，又或者我们是不是应该创造一种全新的语法？(目前自是我一点点的想法而已，而且我的想法变化很快，想想半年前我才真正接触sv ：）

在摸索语法之前，我们来看看FPGA设计里面是怎样的世界，FPGA里面数据是怎么处理的？更基本的，FPGA里面的数据又是什么样的形式呢？“register，wire，logic，parameter，signal，variable”，嗯，这些都是对的，这是最基本的数据表现形式，从语法上和其他语言的没有太大区别。既然太大区别，这些编程语言的数据都是保存在内存或者寄存器上，用另外一种编程语言完成当前编程语言的活，也是可以的，毕竟都是图灵完备。然而，真的只是这样而已吗？

在我看来，CPU的数据保存在内存中，也就是空间中，但是FPGA的数据保存在时间中，CPU获取数据的地址，下面连着的一片内存就是保持数据的，FPGA确实相同的寄存器，从第X个时钟到第X+n个时钟内，流过寄存器的data 也可以当成数据格式，也就是AXI AVALON 这些总线的表现形式，状态机也算是一种“时间数据格式”。我称这种数据方式为流（stream）或过程，cpu也有stream的形式，比如向一个文件写入数据。只是cpu stream更多的是作为数据搬运，而不是处理，处理是在内存的时候就已经做了。FPGA不一样，它没有足够的寄存器来先保存数据做处理（FPGA嵌入核控制也是CPU形式），只能是在stream存在的时间片内进行处理，所有的stream都是real time。现实世界很多都是stream的形式，网络传输，视频，音频，或许以后的计算是FPGA这种stream式的分布计算，：），so

拿面向空间的编程语言去设计面向时间的数据当然处处是坑。

既然是流的数据，那么语法要怎么定义呢？让我们想想stream需要哪些操作,以axi stream来示例吧

stream 操作方法

1、流生成：控制流生成，stream.begin（）

2、流拼接：stream0+stream1+stream2

3、流中数据检索：第一个数据stream[0],向量数据stream[0:9],stream[4:],stream[:-1]

再规定一些语法约束：

1、stream，只能从单个master到单个slaver

因为是stream设计，本身会提供一些带stream interface的模块（sv，verilog，vhdl，提供设计）

1、流生成模块

2、IP输入输出是stream interface

3、流数据抓取模块，抓取特定index的数据

那么来看看真实设计又会变成什么样呢，举个简单的设计：把从mac流中提取udp 源 port,和 udp 目的port通过串口发送出去，udp数据通过从新封装IP后发送到网络上。（已有资源，stream基本模块，UART IP，Ethernet IP）

代码：

IP.rx_stream = mac.rx_stream[6+6+2:]    //获取 ip 帧

udp.rx_stream = IP.rx_stream[20:]    //获取 udp 帧

uart.tx_stream[0:7] = {udp.rx_stream[4:7],udp_rx_stream[0:3]}    //拼接成UART stream

uart.tx_stream.begin( udp.rx_stream.last)    //udp stream last 会触发uart stream 发送

new_ip.head_stream[0:19]    = ...... // 填入新的 数据

new_ip.tx_stream = new_ip.head_stream + udp.rx_stream[8:]    //生成新的ip

new_mac.tx_stream = {mac 头} + new_ip.tx_stream + {mac fcs} // 生成要发送的mac帧

所有功能就已经写完了，而且告诉大家，上面的代码，我已经可以实现 全部自动解析成systemverilog