XLS: 加速硬件合成的开源工具链

xls

XLS简介

XLS (Accelerated HW Synthesis) 是Google开发的一个开源高级综合 (HLS) 工具链,旨在从灵活的高级功能描述生成可综合的硬件设计(Verilog和SystemVerilog)。它采用Apache 2许可证发布。

XLS的目标是成为"摩尔定律终结时代"的软件开发工具包 (SDK)。在这个"专业化时代",软件工程师和硬件工程师需要在各自领域之间进行更多的协同设计 - 协作共享成果、了解彼此的成本模型,并共享工具/方法。XLS试图利用自动化、软件工程师和机器周期来加速这一整体过程。

XLS Stack Diagram

XLS支持通过"软件风格"的方法快速开发既能作为高效主机软件运行又能生成硬件块输出的硬件IP。XLS设计可以以本机速度运行,用于主机软件或模拟器,但该设计也可以生成硬件块输出 - XLS工具的正确性确保(并提供工具帮助正式验证)它们在功能上是相同的。

XLS支持具有纯线I/O接口的(可选流水线)函数以及并发进程(或procs)。procs是有状态的,允许随时间推导,并包括更通用的通信接口。

XLS的主要特性

高级综合:从高级描述生成可综合的Verilog/SystemVerilog设计
软硬件协同设计:支持软件和硬件工程师之间的协作
快速硬件IP开发:能够快速开发既可作为软件运行又可生成硬件的设计
多种前端语言:支持DSLX (类Rust DSL)和实验性的C++语法
优化:包含多个优化pass以改进生成的硬件
调度:实现流水线化和时序优化的调度算法
仿真支持:生成Verilog testbench并集成iverilog等仿真器
形式化验证:支持使用Z3 SMT求解器进行等效性检查
可视化工具:提供IR可视化等交互式调试工具
开源社区:有活跃的开发者社区和贡献者

XLS工具链组件

XLS工具链包含多个关键组件:

DSLX前端

DSLX是一种类似Rust的领域特定语言(DSL),是一种不可变的表达式语言数据流DSL,具有面向硬件的特性,例如任意位宽、完全固定大小的对象、完全可分析的调用图等。XLS团队发现数据流DSL非常适合描述硬件,相比假设冯·诺依曼式计算的语言更有优势。

IR (中间表示)

XLS IR是工具链的核心中间表示,定义了IR结构、文本解析器/格式化器以及抽象求值工具。多个优化pass在IR上运行,以改进生成的硬件。

代码生成

代码生成部分负责将优化后的IR转换为Verilog/SystemVerilog代码。它包括Verilog AST (VAST)支持,用于生成Verilog/SystemVerilog操作和FSM。VAST由我们称为生成器的组件(例如PipelineGenerator、用于FSM的SequentialGenerator)在从XLS IR转换过程中构建。

调度

调度算法决定操作在时钟设计中何时执行(例如,在哪个流水线阶段)。这对于实现流水线化和优化时序至关重要。

仿真

XLS包括包装Verilog模拟器并为XLS计算生成Verilog testbench的代码。目前使用iverilog进行仿真,因为它支持非综合testbench结构。

形式化验证

XLS包括将XLS IR转换为SMT求解器输入的转换器,以便可以对XLS计算运行形式化证明,例如XLS IR和网表描述之间的逻辑等效性检查。Z3用作求解器引擎。

使用XLS

要开始使用XLS,您可以通过以下几种方式:

使用Colab笔记本:
- bit.ly/learn-xls: 一个"Y分钟学习XLS"风格的DSLX教程
- bit.ly/xls-playground: 一个可以交互运行XLS测试、IR转换、代码生成等的XLS评估环境
安装最新发布版: XLS提供了x64 Linux机器的二进制发布版。您可以使用提供的脚本下载并解压最新的发布tarball。
从源代码构建: 如果您需要最新的开发版本或想要贡献代码,可以从源代码构建XLS。这需要使用Bazel构建系统,并可能需要几个小时才能完成完整的初始构建。

以下是从源代码构建XLS的基本步骤:

# 克隆仓库
git clone https://github.com/google/xls.git
cd xls

# 安装依赖
sudo apt install python3-distutils python3-dev libtinfo5 python-is-python3

# 构建和测试(不包括C++前端)
bazel test -c opt -- //xls/... -//xls/contrib/xlscc/...

# 构建所有内容(包括C++前端)
bazel test -c opt -- //xls/...

XLS项目结构

XLS项目的目录结构反映了其主要组件:

dependency_support: 外部依赖的Bazel配置
docs 和 docs_src: 项目文档
xls: 主要的项目代码
- build: XLS构建宏
- codegen: Verilog代码生成
- common: 基础功能
- contrib/xlscc: 实验性C++支持
- data_structures: 通用数据结构
- delay_model: 延迟建模
- dslx: DSLX前端
- fuzzer: 全栈多进程模糊测试器
- ir: IR定义和工具
- jit: 基于LLVM的JIT
- passes: IR优化pass
- scheduling: 调度算法
- simulation: 仿真支持
- solvers: SMT求解器集成
- synthesis: 后端综合流程接口
- tools: 命令行工具
- visualization: 可视化工具