硬件设计与处理近几年来发展迅速。 过去我们的电路相对简单，硬件设计师们可以很方便的画出每一个晶体管，规划他们的连接方式，甚至他们的板上位置。可以说所有工作都是人工完成的。但随着越来越多晶体管的设计需要，硬件工程师也越来越需要依赖自动化设计工具来帮助他们完成设计，而这些设计工具也相对应的变得越来越精密。工程师在这些设计工具的协助下也更具效率。他们不再具体操作每一个晶体管，而只需要设计数字电路，电子自动化设计工具（EDA）把这些抽象而概括的电路自动转换成实际的部件构造版图。
米德和康威（Mead&Conway）的方法[50]，也就是使用一种硬件语言描述语言（Verilog, VHDL），并把其编译成片上设计的方法在上世纪80年代开始广为使用。但这之后硬件的复杂度还在以指数函数的增长速度发展，硬件工程师们只好寻求更加概括而高层的编程语言，RTL应运而生。在RTL里，设计师不需要考虑怎么构造一个寄存器或怎样安置这些寄存器，而只需要考虑这些寄存器在设计中起到怎样的作用。EDA工具可以先把RTL转化成数电模型，再由模型转换成一个设备上的具体电路实施方案。所谓“方案”其实就是编译出的文件，这些文件可以用于规定某个自定义设备，也可以用于编程一些现有的设备，比如FPGA。如我们现在所见，新的设计方法确实帮助工程师们的设计思路变得更加清晰。更多关于这方面的探讨参考注释[42].
HLS则是在这基础上更高层的一种方法，设计师们在HLS下需要更多的考虑大的架构而非某个单独部件或逐周期运行。设计师在HLS下需要注重的是系统的运行模式，HLS工具会负责产生具体的RTL微结构。最早大多数HLS工具是基于Verilog的，用户需要使用Verilog语言进行描述，工具也通过Verilog产生RTL。现如今很多HLS工具开始使用C/C++作为设计师端的语言。当然，选择HLS工具最重要的还是看它能否综合我们需要的程序，而不是它使用什么语言。
总体来说，HLS可以自动完成以下曾经需要手动完成的工作：
- HLS自动分析并利用一个算法中潜在的并发性
- HLS自动在需要的路径上插入寄存器，并自动选择最理想的时钟
- HLS自动产生控制数据在一个路径上出入方向的逻辑
- HLS自动完成设计的部分与系统中其他部分的接口
- HLS自动映射数据到储存单位以平衡资源使用与带宽
- HLS自动将程序中计算的部分对应到逻辑单位，在实现等效计算的前提下自动选取最有效的实施方式
HLS的目标是根据用户提供的输入和限制自动替用户做出很多决定。每个HLS工具在实际施行的效率上相差甚远，这其中我们有一些非常不错的选择，例如赛灵思Vivado HLS, LegUp, Mentor Catapult HLS。他们出众的特性在于可以支持更多更广泛的程序转换。我们在本书中将使用Vivado HLS作为演示软件，但是设计的思路与技巧在各个软件中应当是通用的，读者只需要在各自的软件中对语法进行稍微的调整。
大多数HLS工具需要用户提供功能的规范，交互的描述，一个对接的计算设备，和目标优化方向。而对于Vivado HLS来说，用户需要：
- 一个用C/C++/System C编写的函数
- 一个测试平台用于验证结果
- 一个FPGA开发版
- 期望的时钟周期
- 一个简单的实施指导
HLS工具没有强大到可以处理任何代码。很多我们平时在软件编程中常用的概念在硬件实施中很难实现，所以硬件描述语言对于具体实施会更加灵活。通常这些HLS工具需要用户提供一些附加信息（通过suggestion或#pagma）来帮助完善程序，因此我们说HLS工具会同时“限制”又“加强”了一门语言。举例而言，HLS工具一般无法处理动态内存分配，大部分工具对标准库的支持也非常有限。用户也应当避免系统调用和递归以尽量降低复杂程度。除去这些设计限制之外，HLS工具的处理范围非常的广（包括直接内存访问，流，片上内存），优化效率也很高。
根据Vivado HLS的使用指南，我们将对我们的输入程序作出以下规范：
- 不使用动态内存分配（不使用malloc(),free(),new和delete()）
- 减少使用指针对指针的操作
- 不使用系统调用（例如abort(),exit(),printf()），我们可以在其他代码例如测试平台上使用这些指令，但是综合的时候这些指令会被无视（或直接删掉）
- 减少使用其他标准库里的内容（支持math.h里常用的内容，但还是有一些不兼容）
- 减少使用C++中的函数指针和虚拟函数
- 不使用递归方程
- 精准的表达我们的交互接口
当RTL级的设计可用时，大多数HLS工具会进行标准RTL设计流。而在赛灵思Xilinx Vivado设计套装里进行的是逻辑综合，将RTL级设计转换成一个FPGA逻辑部件的连线表，这份连线表不仅包含需要的逻辑部件还包含他们的连接方式。Vivado之后将连线表和目标设备中的可用资源相关联，这个过程被称作布局及布线（PAR）。产出的FPGA配置被附在比特流（bitstream）上，用户可以将比特流上传到FPGA以实现想要的功能。比特流实质上是用二进制表示FPGA上每一个可用资源的配置，包括逻辑部件的使用，连线的方式，和片上的内存。大型FPGA例如赛灵思UltraScale FPGA拥有超过十亿个可配置比特，较小的FPGA上也至少有几亿个可配置比特。
了解HLS的第一步是熟悉FPGA的构造，因为很多HLS的优化都是和这些构造特点息息相关的。过去几十年来，FPGA变得越发大而复杂，也加入了片上内存、自定义数据路径，高速I/O，和多核处理器等等精密结构。在这一节，我们只讨论FPGA中与HLS相关的结构特点，其他无关内容不会被详细描述。了解FPGA的现代结构后再学习HLS会有助于读者对于其理解。
FPGA由一个可编程逻辑模块的矩阵和与之相连的内存组成，通常这些模块是以查找表（LUT）的形式存在，也就是说把地址信号输入进去，对应内存位置的内容会直接被输出出来。一个N位查找表可以以一个N位输入真值表的方式来表示。
上图中的a部分是一个2位输入查找表，共有