OmniSim：以 C 语言速度和 RTL 精度仿真高层次综合设计

高层次综合（HLS）在使用 C/C++ 代替寄存器传输级（RTL）进行硬件设计方面日益普及。为了在 C/C++ 这样的顺序语言中表达并发硬件行为，HLS 工具引入了无限循环和由 FIFO 连接的数据流模块等构造。然而，在 C 级别上高效且准确地仿真这些构造仍然具有挑战性。首先，缺乏硬件时序信息，功能验证通常需要缓慢的 RTL 综合与仿真，正如商业 HLS 工具中的当前方法一样。其次，周期精确的性能指标（如端到端延迟）也依赖于 RTL 仿真。现有的 HLS 工具均未能完全克服第一个局限性。对于第二个局限性，先前的工作如 LightningSim 部分提高了仿真速度，但缺乏对循环依赖和非阻塞 FIFO 访问等高级数据流特性的支持。为了克服这两个局限性，我们提出了 OmniSim，这是一个显著扩展了学术和商业 HLS 工具仿真能力的框架。首先，OmniSim 能够对复杂数据流设计进行快速且准确的仿真，尤其是那些被商业工具明确声明不支持的设计。它通过复杂的软件多线程来实现这一点，其中线程通过查询和更新一组明确记录每次 FIFO 访问的精确硬件时序的 FIFO 表来进行协调。其次，OmniSim 通过灵活耦合和重叠功能仿真与性能仿真，在功能和性能两方面均实现了接近 C 的仿真速度和接近 RTL 的精度。我们证明，OmniSim 成功仿真了 11 个此前任何 HLS 工具都不支持的设计，相较于传统的 C/RTL 协同仿真实现了高达 35.9 倍的加速，并在其自身的基准测试套件上相较于最先进但功能较弱的仿真器 LightningSim 实现了高达 6.61 倍的加速。