如何理解HLS Block-level输入输出信号之间的时序关系

默认情况下，VitisHLS会对待综合的C函数使用ap_ctrl_hs接口，这其实是一种握手方式。在这个接口中，我们会看到ap_start、ap_idle、ap_ready和ap_done等信号(这些信号被称为Block-level输入/输出信号)。其中ap_start是输入信号，而其余三个信号是输出信号。那么我们如何根据这些信号管理输入数据呢?这就要理解这些信号之间的时序关系。为便于说明，我们以一个简单的算法为例。

如下图所示代码片段。函数array_mult有3个形参。其中a1和a2是长度为N的一维数组，两者对应元素相减再平方即为另一形参prod。显然，prod也是长度为N的一维数组。

为了观察这些Block-level信号之间的时序关系，我们在仿真时将多次调用函数array_mult。为此，在描述测试激励时，输入激励以两个二维数组形式给出，这两个二维数组对应的每一列作为array_mult的输入。假定这两个二维数组是8行4列的数组，C/RTLco-sim仿真结果波形如下图所示。

标记1为数组a2对应存储单元的读地址a2_address，共8个数据;标记2显示了读书的数据数值a2_q0，可以看到两者相差一个时钟周期。那么什么时候a2_address可以发生变化呢?我们从标记A可以看到，在标记A左边，ap_idle为高电平，表明该模块处于空闲状态，标记A之后，ap_start为高电平，同时ap_idle变为低电平。一旦ap_start为高，a2_ce0即为高，表明可以开始读取a2对应的数据。当第一帧8个数据读取完毕，即读取到第一帧最后一个数据时，ap_ready为由低电平变为高电平且持续一个时钟周期，表明第一帧输入数据已读取完毕，如图中标记B。紧接着ap_start也由高电平变为低电平。当第一帧计算完毕，输出对应的8个数据后，ap_done由低电平变为高电平并持续一个时钟周期，如图中标记C。当ap_done由高变低时，ap_idle则由低变高，表明可以再次启动该模块。因此，我们可以看到标记D处ap_start为高，之后a2_ce0由低变高开始读取第二帧输入数据。读取到第二帧输入数据的最后一个数据后，ap_ready由低电平变为高电平。

由此我们可以得出如下结论：

ap_start受ap_idle影响，只有当ap_idle为高时，才可以启动ap_start，将其由低电平变为高电平;

ap_ready为高电平时，表明已完成一帧的输入数据读取任务;

ap_done为高电平时，表明已完成一帧的输出数据写入任务;

ap_done持续一个时钟周期由高变低后，ap_idle会由低变高。

审核编辑：汤梓红