Handel-Cについて †

※これはVisionグループOBのfukudaさんのページから持ってきました。 fukudaさんのwiki→http://www.am.ics.keio.ac.jp/members/fukuda/wiki/index.php?Kyoshow

Celoxica社*1のHandel-Cは、C言語をハードウェア向けに拡張した*2言語である。
開発環境およびコンパイラは、同社のDK3を利用する。

回路を意識せずに、処理したいことを記述することによってLSIを設計することができる。
また、合成の対象をFPGAに絞っているため、プロセス技術や細かいタイミングに起因する
トラブルがユーザの設計に影響を与える可能性が小さい。
Handel-Cで書かれたソースコードはVerilogHDLやVHDL,EDIFに変換される。

ただし、性能や回路面積についてはVerilogHDLやVHDLで直接記述したほうが 良い結果が得られる。

●DK3による開発フロー

  1. プロジェクトの作成
  2. ソースコードの記述
  3. デバッグ 
    「Build」→「Set Active Configuration」で「Debug」を指定する。
デバッグモードでビルド(F7)すると、次のようなデバッグ機能が利用可能になる。
(Verilog HDLやVHDLへ変換するときは、デバッグコードはコメントアウトする必要あり)
    1. ソースコードデバッグ 
      変数の値を表示しながら、ステップ実行を行ったり(F11)、
ブレークポイントの指定等を行うことができる。
    2. プラグインの利用 
      Handel-Cと外部の接続を定義するinterface文を使うと、
デバッグ時に入出力信号をVisual C++などで作成したDLLと結合することができるらしい。
    3. chanin/chanout 
      chanin/chanoutを利用して、外部ファイルから入力を行ったり
結果をファイルへ出力したりする。
(例)
  > chanin  input  with {infile = "ina.txt"};   //ファイルから入力
  > chanout output with {outfile = "out.txt"};  //ファイルへ出力
  >
  > input  ? x; 
  > output ! 5; 
または、
　> chanout 8 stdout;  //ディスプレイに表示させたい
  > stdout ! 5;
    4. C/C++関数のコール 
      C/C++で書いた関数をそのまま使用できる。
その際、Handel-Cコードには下のような宣言が必要になる。
　> extern "C"  // 外部関数がC++なら、 extern "C++" になる
　> {
　>     int printf(const char *fmt, ...);  //標準ライブラリも利用できる
　>     unsigned short user_func(void);    //自分で定義したのも利用できる
　> }
  4. Logic estimation 
    「Build」→「Set Active Configuration」で「EDIF」を指定。
「Project」→「Settings」の「Linker」タブで、「Generate estimation info」にチェックを入れる。
これでビルドすると、EDIFフォルダ内にクリティカルパスやLUT数の情報がHTML形式で保存される。
  5. VerilogHDL(VHDL)へのコンパイル 
    「Build」→「Set Active Configuration」で「Verilog(VHDL)」を指定。
これでビルドすれば、Verilog(VHDL)フォルダ内に*.v(vhd)ファイルが生成される。

●Handel-Cのサンプル

とりあえずVerilogやEDIFに変換できるサンプルコードを下に置いておきます。

set family = XilinxVirtexII;
set part = "xc2v6000bf957-4";

set clock = external;
set reset = external;

void main (void)
{
   unsigned int 4  DOut;
   interface port_in(unsigned int 4 DIn1) DataIn1();
   interface port_in(unsigned int 4 DIn2) DataIn2();
   interface port_out() DataOut(DOut);

   DOut = DataIn1.DIn1 + DataIn2.DIn2;
}

●特徴

  • bit幅の指定 
    好きなbit幅を指定することができる。
>  unsigned int 8 x;
キャストによってbit幅を変えるのは無理みたい。
また、次のようにbitを選択することができる。
(例)
>  unsigned int 8 x;
>  unsigned int 1 y;
>  unsigned int 5 z;
>
>  x = 0b01001001;
>  y = x[4];       //0b0
>  z = x[7:3];     //0b01001
  • Handel-C特有の演算子
    • <- (Take LSBs)
    • \\ (Drop LSBs) 
      最下位の数bitだけ残したり、切り落としたりする。
(例)
>  unsigned int 8 x;
>  unsigned int 4 y;
>  unsigned int 4 z;
>
>  x = 0b11000111;
>  y = x <- 4;     // 0b0111 
>  z = x \\ 4;     // 0b1100
    • @ (Concatenation) 
      複数の変数を連結する。
(例)
>  unsigned int 8 x;
>  unsigned int 4 y;
>  unsigned int 4 z;
>
>  y = 0xC;
>  z = 0x7;
>  x = y @ z;     // 0xC7
また、0をパディングするために用いられる。
(例)
>  unsigned int 8  x;
>  unsigned int 8  y;
>  unsigned int 16 z;
>
>  z = (0 @ x) * (0 @ y);  // 上位8bitを0で埋める
  • Timing 
    １代入文には、必ず１クロックと定められている。
delayは何もせずに１クロック消費し、リソースの競合を避けるために使われる。
また、チャネルを用いた通信にも１クロックかかる。
==や<、>=などの比較にはクロックはかからない。
  • 並列処理 
    なにも指定しなければ、暗黙的にシーケンシャルな回路が生成される
(seq文が省略されていると見なされる)。
並列処理を行いたいときはpar文を用いる。
(例)
>  par
>  {
>    x = 1;
>    {
>      delay;
>      x = 2;
>    }
>  }
    par01.jpg 
    早く処理が終わった分岐部分は、最も遅い分岐の処理が終わるのを待つ。
  • Channel 
    並列に処理している分岐間でのデータの受け渡しにはチャネルが用いられる。
>  Channel ! Expression;  // 送信
>  Channel ? Variable;    // 受信
送信側は受信側が準備できるまで待機する。逆に、受信側も送信側が準備できるまで待機する。　
(例)
>  par
>  {
>    {
>      a = b;
>      c = d;
>      link ! x;
>    }
>    link ? y;
>  }
この場合、タイミングは下表のようになる。
    CycleBranch 1Branch 2
    1a = b;delay
    2c = d;delay
    3Channel outputChannel input
  • 変数の共有について 
    変数のスコープは、下図のようになっている。
    scope01.jpg 
    上のようなスコープだと、並列処理をしている複数のプロセスが
一つの変数を同時に変更するようなコードが書けてしまう(コンパイルが通ってしまう)。
こんなときはprialtを使うとよい。
(例)
>  prialt {
>    case chan1 ? y:
>      //statement
>      break;
>    case chan2 ? y:
>      //statement
>      break;
>    default:  // なくてもよい
>      //statement
>      break;
>  }
prialtは、最初に準備のできたチャネルを選択して通信を行う。
複数のチャネルが同時に準備できた場合は、上に書かれたものが優先的に選択される。
defaultなしのprialtの場合、どれかのチャネルが準備できるまで待機しつづける。
defaultありのprialtの場合、どのチャネルも準備できていないなら、defaultの
処理を行い、prialtから抜ける。

●ファンクションとマクロ

Return value?Typed return values?Called by reference?Shared hardware?
FunctionsCan haveYESNOYES
Arrays of functionsCan haveYESNOYES
Inline functionsCan haveYESNONO
Preprocessor macrosCan haveNOYESNO
Macro expressionsMust haveNOYESNO
Shared expressionMust haveNOYESYES
Macro proceduresNoneNOYESNO
  • ファンクションとマクロの例（変数を1.5倍する）
    • Function 
      void f_sesqui (int *d, int s) // "shared" function without return
{
  *d = s;
  *d += ((*d) >> 1);
}

int rf_sesqui (int s) // "shared" function with return 
{
  int ret;
  ret = s;
  ret += (ret >> 1);
  return ret;
}
    • Array of function 
      void af_sesqui [5] (int *d, int s)
{
  *d = s;
  *d += ((*d) >> 1);
}
    • Inline function 
      void inline if_sesqui (int *d, int s)
{
  *d = s;
  *d += ((*d) >> 1);
}
    • Preprocessor macro 
      #define de_sesqui (s) ((s) + ((s) >> 1))
#define dp_sesqui (d,s) ((d) = (s) + ((s) >> 1))
    • Macro expression 
      macro expr me_sesqui (s) = s + (s >> 1);
    • Shared expression 
      shared expr se_sesqui (s) = s + (s >> 1);
    • Macro procedure 
      macro proc mp_sesqui (d, s)
{
  d = s;
  d += (d >> 1);
}
    • 呼び方 
      {
  int 5 x, y;
  x = 10;

  f_sesqui (&y, x);      // Function without return
  y = rf_sesqui (x);     // Function with return
　　
  af_sesqui[2] (&y, x);  // Array of Function

  if_sesqui (&y, x);     // Inline Function

  y = de_sesqui (x);     // Preprocessor macro with return
  dp_sesqui (y, x);      // Preprocessor macro without return

  y = me_sesqui (x);     // Macro expression
  y = se_sesqui (x);     // Shared expression

  mp_sesqui (y, x);      // Macro procedure
}
  • 注意点 
    次の記述は許されていない。
>  y = f(g(x));
>  y = f(x) + g(z);
また、再帰も使えない。
  • ハードウェアの共有について 
    ファンクションを用いてハードウェアの共有を行えば、回路の面積を小さく抑えられる。
並列処理中に、異なるブロックで同じファンクションを使ってはならない。
その場合は関数の配列やインライン関数を用いる。→回路は増大する。
  • クロックについて 
    Macro expression と Shared expression は、変数に代入された時に１クロックかかる。
それ以外は、処理内容に応じたクロック数が必要になる。

●雑記

  • main関数について 
    main関数の引数と戻り値はvoidと決まっている。
main関数はクロックと関連付けられ、異なるクロックで動作するパーツが
他に存在する場合は、複数のmain関数が必要になる。
  • familyとpart 
    ターゲットとするデバイスは何か
>  set family = XilinxVirtexII;
>  set part = "xc2v6000-4bf957";　
partは、「Project」→「Setting」の「Chip」タブで見れる。
  • clockとreset 
    クロックとリセットの信号を外から引っ張ってくる
>  set clock = external;
>  set reset = external;
ISEを通すには必要。
  • interface 
    >  signal unsigned char OutData;
>  interface bus_in(unsigned InputData)  InputPort();
>  interface bus_out()     OutputPort( OutData );
Verilogに落としたときに、この記述がモジュールの入出力になります。
これがないと中身のある回路ができないぽいです

●知っていると便利

  • Macroの便利なオペレータ
    • Select
    • ifselect
    • let ... in

●良いコードの書き方

  • タイミングに関して 
    どんなに複雑なステートメントでも、ちゃんと組み合わせ回路を生成してくれる。
例えば以下の２つのコードは両方とも１クロックサイクルで実行される。
>  x = y;
>  x = (((y * z) + (w * v)) << 2) <- 7;
しかし、遅延が大きくなって動作周波数が落ちるので
簡単な論理を並列に動作させるように工夫すべきである。
    • divisionやmodulo,multiplicationは大きな論理が形成される。 
      シフト演算やパイプライン処理でなんとかするべき
    • wide adderはcarry rippleのために深い論理を形成する。 
      short adderを複数利用し、多段にする方がよい
    • greater thanやless thanも深い論理を生成する。 
      ==や!=で代用する方法を考えるべき
    • 複雑な式は多段にすること 
      (例)
>  x = a + b + c + d + e + f + g + h;
は、以下のように書き換えるとよい。
>  par
>  {
>    temp1 = a + b;
>    temp2 = c + d;
>    temp3 = e + f;
>    temp4 = g + h;
>  }
>  par
>  {
>    temp1 = temp1 + temp2;
>    temp3 = temp3 + temp4;
>  }
>  x = temp1 + temp3;
    • Empty statement 
      次のようなコードは、遅延が大きくなるため、避けるべき
>  if ( a > b )
>    x++;
>  if ( b > c )
>    x++;
>  if ( c > d )
>    x++;
これらの比較がひとつもhitしない場合、全ての比較が１クロック内で行われなければならない。
１クロックで１つの比較が行われるように、下のように書き換えた方がよい
>  if ( a > b )　{
>    x++;
>  } else {
>    delay;
>  }
>  if ( b > c ) {
>    x++;
>  } else {
>    delay;
>  }
>  if ( c > d ) {
>    x++;
>  } else {
>    delay;
>  }

●CとHandel-Cの比較メモ

  • Statements
    両方CのみHandel-Cのみ
    switchpar
    do...whiledelay
    while?
    if...else!
    forprialt
    breakseq
    continueifselect
    return
    goto
    assert
  • Type
    両方CのみHandel-Cのみ
    intdoublechan
    unsignedfloatram
    charunionrom
    longwom
    shortmpram
    enumsignal
    registerchanin
    staticchanout
    externundefined
    structinterface
    volatile<>
    voidinline
    consttypeof
    auto
    signed
    typedef
  • Expression
    両方CのみHandel-Cのみ
    * (pointer indirection)sizeofselect(...)
    & (address of)width(...)
    他、全ての演算子が使えます@
    \\
    <-
    [:]
    let...in

(souichi)

(・ω・)627ﾉｼ
*1 もともとHandel-CはOxford大学の１グループが開発していて、それが独立して設立されたのがCeloxicaらしい
*2 ANSI-Cの文法に、HoareのCSPの理論を加えたらしい
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Last-modified: 2019-08-29 (木) 00:03:48