[论文解读] Allowing Software Developers to Debug HLS Hardware

Jeffrey Goeders, Steven J. E. Wilton|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Embedded Systems Design Techniques参考文献 13被引用 8

一句话总结

本文提出了一种调试框架，使软件开发人员能够使用熟悉的软件调试技术来调试由高阶综合（HLS）生成的硬件。通过将硬件信号映射到源代码变量并支持逐步执行的可视化，该框架弥合了软件开发与硬件实现之间的语义鸿沟，显著提升了非硬件专家在LegUp HLS工具链中的可访问性。

ABSTRACT

High-Level Synthesis (HLS) is emerging as a mainstream design methodology, allowing software designers to enjoy the benefits of a hardware implementation. Significant work has led to effective compilers that produce high-quality hardware designs from software specifications. However, in order to fully benefit from the promise of HLS, a complete ecosystem that provides the ability to analyze, debug, and optimize designs is essential. This ecosystem has to be accessible to software designers. This is challenging, since software developers view their designs very differently than how they are physically implemented on-chip. Rather than individual sequential lines of code, the implementation consists of gates operating in parallel across multiple clock cycles. In this paper, we report on our efforts to create an ecosystem that allows software designers to debug HLS-generated circuits in a familiar manner. We have implemented our ideas in a debug framework that will be included in the next release of the popular LegUp high-level synthesis tool.

研究动机与目标

• 解决从软件开发人员视角调试HLS生成的硬件设计的挑战。
• 弥合高级软件代码与并行、门级硬件实现之间的语义鸿沟。
• 创建一个支持分析、调试和优化的调试生态系统，使软件工程师可轻松使用。
• 将用户友好的调试界面集成到LegUp HLS工具中，实现工作流的无缝集成。
• 支持与源代码结构对齐的逐步执行追踪和信号可视化。

提出的方法

• 将硬件信号映射到高级源代码变量，以保留语义上下文。
• 实现支持硬件设计逐步执行的调试接口。
• 可视化时钟周期内信号变化与源代码行之间的关系。
• 扩展LegUp HLS工具，集成与标准软件调试工作流兼容的调试框架。
• 使用源代码级注解，将硬件信号与软件构造相关联。
• 支持断点和变量检查，类似于传统软件调试器。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使硬件调试对不熟悉硬件设计的软件开发人员更加友好？
• RQ2 需要何种抽象层次才能将复杂的并行硬件行为映射回顺序的软件逻辑？
• RQ3 如何使HLS工具中的调试工作流与既定的软件开发实践保持一致？
• RQ4 哪些机制能够实现在综合硬件中有效的信号追踪与可视化？
• RQ5 如何在不损害性能或可用性的前提下，将调试功能集成到HLS工具链中？

主要发现

• 所提出的调试框架成功将硬件信号映射到源代码变量，实现了直观的导航与检查。
• 该框架支持逐步执行追踪，使开发人员能够观察时钟周期内信号变化与源代码之间的关系。
• 在LegUp中的集成使软件开发人员能够使用熟悉的调试范式，如断点和变量检查。
• 该系统通过在硬件分析过程中保留源代码的逻辑流程，降低了软件开发人员的认知负担。
• 该框架在真实世界的HLS工具链中展示了可行性与可用性，显著提升了开发人员的生产力。
• 该方法有效弥合了HLS中软件开发与硬件实现之间的语义鸿沟。