Intel® Quartus® Prime Pro Edition用户指南: 设计建议

下载 PDF
ID 683082
日期 9/28/2020
Public

本文档可提供新的版本。客户应 单击此处 前往查看最新版本。

文档目录
文档目录 x
1. 推荐的HDL编码样式 2. 推荐的设计实践 3. 通过 Intel® Quartus® Prime软件管理亚稳态 A. Intel® Quartus® Prime Pro Edition用户指南
1. 推荐的HDL编码样式 x
1.1. 使用提供的HDL模板 1.2. 在HDL中例化IP Core 1.3. 推断乘法器和DSP功能 1.4. 从HDL代码推断存储器功能 1.5. 寄存器和锁存器编码准则 1.6. 通用编码指南 1.7. 使用低级基元(Low-Level Primitives)进行设计 1.8. 建议的HDL编码风格修订历史
1.1. 使用提供的HDL模板 x
1.1.1. 从提供的模板插入HDL代码
1.3. 推断乘法器和DSP功能 x
1.3.1. 推断乘法器 1.3.2. 推导乘法累加器和乘法加法器功能
1.4. 从HDL代码推断存储器功能 x
1.4.1. 从HDL代码推断RAM功能 1.4.2. 从HDL代码推断ROM功能 1.4.3. 在HDL代码中推断移位寄存器
1.4.1. 从HDL代码推断RAM功能 x
1.4.1.1. 使用同步的存储器模块 1.4.1.2. 避免不受支持的复位和控制条件 1.4.1.3. 检查Read-During-Write行为 1.4.1.4. 控制RAM推断和实现 1.4.1.5. 具有旧数据Read-During-Write行为的单时钟同步RAM 1.4.1.6. 具有新数据Read-During-Write行为的单时钟同步RAM 1.4.1.7. 简单双端口，双时钟同步RAM 1.4.1.8. 真双端口同步RAM 1.4.1.9. 混合宽度双端口RAM 1.4.1.10. 带Byte-Enable信号的RAM 1.4.1.11. 上电时指定初始存储器内容
1.4.3. 在HDL代码中推断移位寄存器 x
1.4.3.1. 简单移位寄存器 1.4.3.2. 包含均匀间隔的抽头(tap)的移位寄存器
1.5. 寄存器和锁存器编码准则 x
1.5.1. 寄存器上电值 1.5.2. 诸如Clear和Clock Enable的次级寄存器控制信号 1.5.3. 锁存器(Latches)
1.5.1. 寄存器上电值 x
1.5.1.1. 指定一个上电值
1.5.3. 锁存器(Latches) x
1.5.3.1. 避免意外锁存生成 1.5.3.2. 正确地推断锁存器 Verilog HDL Set-Reset Latch VHDL Data Type Latch Verilog Continuous Assignment不推断锁存器
1.6. 通用编码指南 x
1.6.1. 三态信号(Tri-State Signals) 1.6.2. 时钟多路复用(Clock Multiplexing) 1.6.3. 加法树(Adder Trees) 1.6.4. 状态机HDL指南 1.6.5. 多路复用器HDL准则 1.6.6. 循环冗余校验功能 1.6.7. 比较器HDL准则 1.6.8. 计数器HDL准则
1.6.3. 加法树(Adder Trees) x
1.6.3.1. 自适应逻辑模块中具有6-Input LUT的体系结构
1.6.4. 状态机HDL指南 x
1.6.4.1. 状态机上电 1.6.4.2. Verilog HDL状态机 1.6.4.3. VHDL状态机
1.6.4.2. Verilog HDL状态机 x
1.6.4.2.1. Verilog-2001状态机编码示例 1.6.4.2.2. SystemVerilog状态机编码示例
1.6.4.3. VHDL状态机 x
1.6.4.3.1. VHDL状态机编码示例
1.6.5. 多路复用器HDL准则 x
1.6.5.1. Intel® Quartus® Prime软件中多路复用器重组(Multiplexer Restructuring)的选项 1.6.5.2. 多路复用器类型 1.6.5.3. IF语句中的隐式默认值 1.6.5.4. default或者OTHERS CASE Assignment
1.6.5.2. 多路复用器类型 x
1.6.5.2.1. 二进制多路复用器 1.6.5.2.2. 选择器多路复用器 1.6.5.2.3. 优先级多路复用器
1.6.6. 循环冗余校验功能 x
1.6.6.1. 如果性能很重要，则要优化速度 1.6.6.2. 使用单独的CRC模块而不是级联的阶段(Cascaded Stage) 1.6.6.3. 使用单独的CRC模块，而不是允许模块合并 1.6.6.4. 利用延迟(如果可用) 1.6.6.5. 通过禁用未使用的CRC模块来节省功耗 1.6.6.6. 通过同步加载(sload)信号对器件进行初始化
2. 推荐的设计实践 x
2.1. 遵循同步FPGA设计实践 2.2. HDL设计指南 2.3. 使用时钟和寄存器控制架构功能 2.4. 实现嵌入式RAM 2.5. Design Assistant设计规则检查 2.6. 推荐的设计实践修订历史
2.1. 遵循同步FPGA设计实践 x
2.1.1. 实现同步设计 2.1.2. 异步设计危害
2.2. HDL设计指南 x
2.2.1. Intel® Hyperflex™ FPGA体系结构的考量 2.2.2. 优化组合逻辑 2.2.3. 优化时钟方案 2.2.4. 优化物理实现和时序收敛 2.2.5. 优化功耗 2.2.6. 管理设计亚稳定性
2.2.2. 优化组合逻辑 x
2.2.2.1. 避免组合循环(Avoid Combinational Loops) 2.2.2.2. 避免意外的锁存器推断(Avoid Unintended Latch Inference) 2.2.2.3. 避免时钟路径中的延迟链 2.2.2.4. 使用同步脉冲发生器(Use Synchronous Pulse Generators)
2.2.3. 优化时钟方案 x
2.2.3.1. 寄存器组合逻辑输出 2.2.3.2. 避免异步时钟分频 2.2.3.3. 避免纹波计数器 2.2.3.4. 使用多路复用的时钟 2.2.3.5. 使用门控(gated)的时钟 2.2.3.6. 使用同步时钟使能
2.2.3.5. 使用门控(gated)的时钟 x
2.2.3.5.1. 推荐的时钟门控方法
2.2.4. 优化物理实现和时序收敛 x
2.2.4.1. 规划物理实现 2.2.4.2. 规划FPGA资源 2.2.4.3. 对时序收敛进行优化 2.2.4.4. 优化关键时序路径
2.3. 使用时钟和寄存器控制架构功能 x
2.3.1. 使用全局复位资源 2.3.2. 使用全局时钟网络资源 2.3.3. 使用Clock Region Assignment来优化时钟约束 2.3.4. 避免异步寄存器控制信号
2.3.1. 使用全局复位资源 x
2.3.1.1. 使用同步复位 2.3.1.2. 使用异步复位 2.3.1.3. 使用同步的异步复位
2.3.3. 使用Clock Region Assignment来优化时钟约束 x
2.3.3.1. Intel® Stratix® 10器件中的Clock Region Assignment 2.3.3.2. 在 Intel® Arria® 10和旧器件系列中的Clock Region Assignment
2.5. Design Assistant设计规则检查 x
2.5.1. 设置Design Assistant 2.5.2. 编译期间运行Design Assistant 2.5.3. 在分析模式下运行Design Assistant 2.5.4. 从Design Assistant进行交叉探测 2.5.5. 管理Design Assistant规则 2.5.6. Design Assistant规则类别
2.5.2. 编译期间运行Design Assistant x
2.5.2.1. 打开Design Assistant Rule Help
2.5.3. 在分析模式下运行Design Assistant x
2.5.3.1. 从Chip Planner运行Design Assistant 2.5.3.2. 从Timing Analyzer运行Design Assistant
2.5.4. 从Design Assistant进行交叉探测 x
2.5.4.1. 从Design Assistant到 Timing Analyzer的交叉探测 2.5.4.2. 从Design Assistant到可视化工具的交叉探测
2.5.5. 管理Design Assistant规则 x
2.5.5.1. 更改每个规则的默认违反数量 2.5.5.2. 对特定的Compiler阶段使能规则 2.5.5.3. 对特定的Compiler阶段指定规则参数 2.5.5.4. 修改规则严重性级别 2.5.5.5. 在报告中过滤和隐藏规则违规 2.5.5.6. 放弃Design Assistant规则
2.5.5.5. 在报告中过滤和隐藏规则违规 x
2.5.5.5.1. Filter Options对话框
2.5.5.6. 放弃Design Assistant规则 x
2.5.5.6.1. 创建Design Assistant Waivers 2.5.5.6.2. 删除Design Assistant豁免 2.5.5.6.3. Design Assistant Waiver Tcl命令
2.5.5.6.3. Design Assistant Waiver Tcl命令 x
2.5.5.6.3.1. drc::add_waiver命令 2.5.5.6.3.2. drc::get_waivers命令 2.5.5.6.3.3. drc::report_waivers命令
3. 通过 Intel® Quartus® Prime软件管理亚稳态 x
3.1. Intel® Quartus® Prime软件中的亚稳态分析 3.2. 亚稳性和MTBF报告 3.3. MTBF优化 3.4. 减少亚稳效应(Reducing Metastability Effects) 3.5. 脚本支持 3.6. 管理亚稳性(Managing Metastability) 3.7. 通过 Intel® Quartus® Prime软件管理亚稳态修订历史 3.8. Intel® Quartus® Prime Pro Edition用户指南：设计建议归档
3.1. Intel® Quartus® Prime软件中的亚稳态分析 x
3.1.1. 数据同步寄存器链 3.1.2. 识别同步器进行亚稳性分析 3.1.3. 时序约束如何影响同步器的识别和亚稳性分析
3.2. 亚稳性和MTBF报告 x
3.2.1. 亚稳性报告 3.2.2. MTBF计算中的同步器数据翻转速率
3.2.1. 亚稳性报告 x
3.2.1.1. MTBF Summary报告 3.2.1.2. Synchronizer Summary报告 3.2.1.3. Timing Analyzer中的同步器链统计报告
3.2.1.1. MTBF Summary报告 x
3.2.1.1.1. 设计的典型和最坏情况MTBF 3.2.1.1.2. 同步器链(Synchronizer Chains) 3.2.1.1.3. 增加可用的稳定时间(Increasing Available Settling Time)
3.3. MTBF优化 x
3.3.1. 同步寄存器链长度
3.4. 减少亚稳效应(Reducing Metastability Effects) x
3.4.1. 对Timing Analyzer应用完整的以系统为中心的时序约束 3.4.2. 强制同步寄存器的识别 3.4.3. 设置同步器数据翻转速率 3.4.4. 在Fitting期间优化亚稳性 3.4.5. 增加要保护和优化的同步器的长度 3.4.6. 增加同步器中使用的级数 3.4.7. 选择一个更快的速度等级器件
3.5. 脚本支持 x
3.5.1. 识别同步器进行亚稳性分析 3.5.2. MTBF计算中的同步器数据翻转速率 3.5.3. report_metastability和Tcl命令 3.5.4. MTBF优化 3.5.5. 同步寄存器链长度
1. 推荐的HDL编码样式
2. 推荐的设计实践
3. 通过 Intel® Quartus® Prime软件管理亚稳态
A. Intel® Quartus® Prime Pro Edition用户指南

1.5.3.2. 正确地推断锁存器

综合工具可以推断一个锁存器，该锁存器不会表现出与组合环路相关的毛刺和时序危险问题。 Intel® Quartus® Prime Pro Edition 软件在Compilation Report的User-Specified and Inferred Latches部分中报告综合推断的锁存器。此报告指出锁存器是否存在时序危险，以及用户指定和推断的锁存器总数。
注： 在某些情况下，时序分析不会完全仿真锁存器时序。作为最佳实践，要避免锁存器，除非设计要求，并且对其影响要有全面了解。

如果设计中的锁存器或组合环路未出现在User Specified and Inferred Latches部分中，那么 Intel® Quartus® Prime综合没有将锁存器推断为一个安全锁存器，因此该锁存器不被视为无毛刺。

Compilation Report中的Analysis & Synthesis Logic Cells Representing Combinational Loops表中列出的所有组合环路都存在时序风险。这些条目表明设计可能存在的问题，需要进一步研究。但是，正确的设计可以包括组合环路。例如，组合环路可能无法被识别。当硬件中存在电气路径时，会发生这种情况，但是其中一种：

  • 设计人员知道电路永远不会遇到导致该路径被激活的数据，或者
  • 周围的逻辑以相互排斥的方式进行设置，以防止该路径敏感化，而与数据输入无关。

对于基于6输入LUT的器件， Intel® Quartus® Prime综合利用组合环路中的单个自适应查找表(ALUT)实现所有锁存器输入。因此，当单个输入发生变化时，User-Specified and Inferred Latches表中的所有锁存器都没有时序风险。

如果 Intel® Quartus® Prime综合报告将一个锁存器列为安全的锁存器，那么其他优化(例如Fitter中的物理综合网表优化)可保持无危险性能。为确保无危险行为，一次只能更改一个控制输入。同时更改两个输入(例如同时置低set和reset)，或者同时更改数据和使能可能会在锁存器中产生错误的行为。

Intel® Quartus® Prime综合从Verilog HDL中的always和VHDL中的process语句推断锁存器。然而， Intel® Quartus® Prime综合不从Verilog HDL中连续的assignment和VHDL中并发信号assignment推断锁存器。这些规则与寄存器推断的规则相同。 Intel® Quartus® Prime综合仅从always模块和process语句推断寄存器和触发器。

Verilog HDL Set-Reset Latch

module simple_latch (
   input SetTerm,
   input ResetTerm,
   output reg LatchOut
   );
   always @ (SetTerm or ResetTerm) begin
      if (SetTerm)
         LatchOut = 1'b1;
      else if (ResetTerm)
         LatchOut = 1'b0;
   end
endmodule

VHDL Data Type Latch

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.std_logic_1164.all;
ENTITY simple_latch IS
	PORT (
		enable, data    : IN STD_LOGIC;
		q               : OUT STD_LOGIC
	);
END simple_latch;
ARCHITECTURE rtl OF simple_latch IS
BEGIN
	latch : PROCESS (enable, data)
		BEGIN
		IF (enable = '1') THEN
			q <= data;
		END IF;
	END PROCESS latch;
END rtl;

Verilog Continuous Assignment不推断锁存器

以下示例显示了一个Verilog HDL连续assignment，此assignment在 Intel® Quartus® Prime软件不推断锁存器： 

assign latch_out = (~en & latch_out) | (en & data);

assignment的行为类似于锁存器，但它可能无法正确用作锁存器，并且其时序也不会被分析成锁存器。 Intel® Quartus® Prime Pro Edition 综合在可能的情况下也可以创建安全的锁存器以实例化Intel FPGA latch IP core。Intel FPGA latch IP允许您使用数据，使能，设置和复位输入的任意组合定义一个锁存器。创建安全的锁存器的限制与从HDL代码推断锁存器的限制相同。

在另一个综合工具中推断Intel FPGA latch IP coore可确保 Intel® Quartus® Prime综合也也是识别作为锁存器的实现。如果第三方综合工具使用Intel FPGA latch IP core实现一个锁存器，那么 Intel® Quartus® Prime Pro Edition 综合报告User-Specified and Inferred Latches表中的锁存器，其方式与在HDL源代码中定义的锁存器列出的方式相同。生成Intel FPGA latch IP core实现所需的编码风格取决于综合工具。某些第三方综合工具列出了推断的Intel FPGA latch IP core的数量。

Fitter对控制信号使用全局布线，包括综合识别为锁存使能的信号。在某些情况下，全局插入延迟会降低时序性能。如有必要，您可以关闭 Intel® Quartus® Prime Global Signal逻辑选项以手动阻止全局信号的使用。Compilation Report的Global & Other Fast Signals表报告了Global锁存使能。

二级标题