Xilinx Vitis全方位解析

一、Xilinx Vitis簡介

Xilinx Vitis是一款全新的開發工具套件，它能夠自由切換多種編程語言，如C++、OpenCL、Python等，以及支持多種硬件平台，包括Xilinx的FPGA和ACAP (Adaptive Compute Acceleration Platform)。這使得它具備了極高的靈活性，可以靈活的應對不同類型的開發需求，無論是數據中心、雲端還是邊緣智能應用，都能夠得到有效的支持。

Xilinx Vitis集成多種開發工具，包括Vivado、SDSoC和SDAccel，能夠覆蓋從系統級開發到高層次應用程序開發的全流程，幫助用戶快速構建高效的應用。

二、Xilinx Vitis的核心技術

Xilinx Vitis打破了傳統的FPGA開發中，硬件描述語言(VHDL/Verilog)與軟件開發語言(C/C++)之間的技術壁壘，引入了一種新的編程模型，稱之為Xilinx Runtime (XRT)，基於OpenCL編寫，將FPGA看作協處理器，使得開發者能夠直接使用CPU的軟件編寫方式進行並行程序設計，而無需編寫硬件描述語言。在Xilinx Vitis中，用戶可以在軟件框架內編寫並行程序，同時配合硬件部分使用OpenCL CKernel，由Vitis工具自動將其綜合到FPGA中運行。這樣可以大大降低FPGA應用開發的門檻，提高開發效率。

同時，Xilinx Vitis還採用了一種新的優化技術——SDAccel優化技術，可以為HLS設計提供高效的算法優化，提高了硬件加速器的效率。Xilinx SDNet技術的嵌入，可以加快數據流進程，並提高FPGA硬件解決方案的開發效率。

Xilinx Vitis中還引入了一種新的交互式開發體驗，在開發過程中，可以直接在Vitis開發環境中創建和調試應用程序.

三、Xilinx Vitis的軟件開發模型

Xilinx Vitis採用了一種新的軟件開發模型——層次化軟件開發模型 (Hierarchical Software Development Model)，與目前的高層次綜合(HLS)技術相結合，實現了從整體系統層面進行設計、優化、實現和調試。Xilinx Vitis中的一級模型設計是硬件抽象層面，包括RTL設計和HLS設計;二級模型是C++設計，整合開發了從軟件設計到硬件實現的一體化性能計算環境，在應用程序中可以發現HLS語言設計，從而獲得性能的提升。

同時，Xilinx Vitis還支持第三方動態代碼庫(Dynamic Link Libraries)和靜態代碼庫(Static Libraries)的使用，能夠實現各種不同的硬件環境下的應用程序需求，提高片上系統的可擴展性。

四、示例代碼

#include 
#include 

int main() {
  // 初始化OpenCL環境
  cl_platform_id platform;
  cl_device_id device;
  cl_context context;
  cl_command_queue commands;
  cl_program program;
  cl_kernel kernel;

  clGetPlatformIDs(1, &platform, NULL);
  clGetDeviceIDs(platform, CL_DEVICE_TYPE_ALL, 1, &device, NULL);
  context = clCreateContext(0, 1, &device, NULL, NULL, NULL);
  commands = clCreateCommandQueue(context, device, 0, NULL);

  // 創建和構建OpenCL內核
  const char* kernel_source =
  "#include \n"
  "__kernel void add(__global int* a, __global int* b, __global int* c) {\n"
  "  int gid = get_global_id(0);\n"
  "  c[gid] = a[gid] + b[gid];\n}"
  ;
  program = clCreateProgramWithSource(context, 1, &kernel_source, NULL, NULL);
  clBuildProgram(program, 0, NULL, NULL, NULL, NULL);
  kernel = clCreateKernel(program, "add", NULL);

  // 定義變量
  int a[100], b[100], c[100];

  // 初始化變量
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
      a[i] = i;
      b[i] = i * 2;
  }

  // 設置OpenCL內核參數
  cl_mem a_buffer, b_buffer, c_buffer;
  a_buffer = clCreateBuffer(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(int) * 100, a, NULL);
  b_buffer = clCreateBuffer(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(int) * 100, b, NULL);
  c_buffer = clCreateBuffer(context, CL_MEM_WRITE_ONLY, sizeof(int) * 100, NULL, NULL);
  clSetKernelArg(kernel, 0, sizeof(cl_mem), &a_buffer);
  clSetKernelArg(kernel, 1, sizeof(cl_mem), &b_buffer);
  clSetKernelArg(kernel, 2, sizeof(cl_mem), &c_buffer);

  // 執行OpenCL內核
  size_t global_size = 100;
  clEnqueueNDRangeKernel(commands, kernel, 1, NULL, &global_size, NULL, 0, NULL, NULL);

  // 讀取計算結果
  clEnqueueReadBuffer(commands, c_buffer, CL_TRUE, 0, sizeof(int) * 100, c, 0, NULL, NULL);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
      std::cout << c[i] << std::endl;
  }

  // 釋放OpenCL資源
  clReleaseMemObject(a_buffer);
  clReleaseMemObject(b_buffer);
  clReleaseMemObject(c_buffer);
  clReleaseKernel(kernel);
  clReleaseProgram(program);
  clReleaseCommandQueue(commands);
  clReleaseContext(context);

  return 0;
}

五、總結

Xilinx Vitis是一款強大的開發工具套件，在FPGA應用開發中起到了至關重要的作用，它破除了傳統的FPGA開發模式，通過引入新的編程模型和技術，提高了開發效率和FPGA的性能表現。

本文從多個方面對Xilinx Vitis進行了詳細的闡述，從介紹其基礎知識到核心技術、軟件開發模型以及具體實現。相信本文對那些初次接觸Xilinx Vitis的開發者，能夠起到較好的參考作用。