C++ coding principles for high-level synthesis

Abstract. High-level synthesis (HLS) raises the level of abstraction on digital integrated circuit design from traditional register transfer level (RTL) to behavioural system description level. This methodology offers great advantages such as increased designer productivity. The adoption of HLS, however, has been slowed down by the RTL code mistakenly generated with HLS which potentially results in poor quality compared to the traditional hand-written RTL. This thesis aims to solve this problem by finding the best programming practices for hardware-oriented C++. A digital downconverter and decimator are designed and implemented with Catapult HLS as a case study, where different coding practises are experimented with, and the best ones are generalized and presented. The quality of results of this case study is compared against a hand-written RTL design of the same intellectual property created by other designers. A few examples are presented as well demonstrating that small changes in the source code might have a major effect on the generated RTL. It is found that understanding how the HLS tool analyses the source code and executes operations in parallel greatly helps to improve the quality of results in the generated hardware. Also, by having a clear target architecture it is a simple task to verify the hardware in Catapult analysis views such as schedule and schematic view. By optimizing the source code, it is possible to generate similar quality hardware compared to traditional RTL flow. In this case, the area of the HLS design is about 19 % smaller than the RTL design with the same throughput, slightly lower latency, and roughly the same power consumption. C++ ohjelmointikäytännöt korkean tason synteesiin. Tiivistelmä. Korkean tason synteesi (HLS) nostaa digitaalisten integroitujen piirien suunnittelun abstraktiotason perinteiseltä rekisterinsiirtotasolta (RTL) systeemikuvaustasolle. Tämä metodologia tuo suuria etuja, kuten suunnittelijan korkeampi tuotteliaisuus. HLS:n laajempaa käyttöönottoa on kuitenkin hidastanut erheellisesti HLS:llä generoitu RTL-koodi, josta usein seuraa heikohko laatu käsin kirjoitettuun RTL-koodiin verrattuna. Tämän tutkimuksen tavoite on ratkaista tämä ongelma löytämällä parhaat ohjelmointikäytännöt korkean tason synteesiin suunnattuun C++-ohjelmointiin. Digitaalinen alasmuunnin ja desimaattori suunnitellaan ja implementoidaan käyttäen Catapult HLS-työkalua. Eri ohjelmointikäytäntöjä testataan ja parhaat yleistetään ja esitellään, minkä jälkeen tulosten laatua verrataan samaan lohkoon, jonka on ohjelmoinut eri suunnittelijat rekisterinsiirtotasolla. Tutkimus sisältää myös koodiesimerkkejä siitä, miten pienet muutokset lähdekoodissa voivat vaikuttaa merkittävästi lopputulokseen. Tutkimuksessa todetaan, että synteesityökalun toiminnan ymmärtäminen on kriittistä hyvien tulosten saavuttamisen kannalta. Suunnittelijalla tulisi olla selvä tavoitearkkitehtuuri generoitavasta RTL-koodista, jolloin sen varmentaminen synteesin jälkeen olisi helppoa Catapultin analyysinäkymissä. Optimoimalla lähdekoodia generoidun RTL-koodin tulosten laatu saadaan samaksi kuin käsin kirjoitetun RTL-koodin. Tässä tapauksessa generoidun RTL-koodin pinta-ala on 19 % pienempi kuin käsin kirjoitetun mallin samalla siirtonopeudella. Latenssi on hieman pienempi ja tehonkulutus samaa suuruusluokkaa