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

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ID 683082
日期 9/28/2020
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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 包含初始化内容的Verilog HDL RAM 使用readmemb命令初始化的Verilog HDL RAM 包含初始化内容的VHDL RAM
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
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

1.4.1.11. 上电时指定初始存储器内容

综合工具可以提供多种方法来指定一个推断存储器的初始内容。由于连续读取MLAB，专用RAM模块和MLAB存储器之间的上电和初始化差异很小。

Intel FPGA专用RAM模块输出始终上电到零，并在第一次读取时设置成初始值。例如，如果地址0预初始化为FF，那么RAM模块通过0上的输出进行上电 。从地址0上电后的后续读取将输出FF预初始化值。因此，如果RAM上电并且使能(读取使能或时钟使能)保持为低电平，那么上电输出0保持到第一个有效读取周期为止。综合工具使用上电到0的寄存器来实现MLAB，但在上电或复位后立即将其初始化为初始值。因此，无论使能状态如何，都可以看到初始值。当HDL代码指定相应的ramstyle属性时， Intel® Quartus® Prime软件会将推断的存储器映射到MLAB。

在Verilog HDL中，您可以使用初始模块对一个推断的存储器的内容进行初始化。 Intel® Quartus® Prime Pro Edition synthesis自动将初始模块转换为Memory Initialization File (.mif)，用于推断的RAM。

包含初始化内容的Verilog HDL RAM

module ram_with_init(
   output reg [7:0] q,
   input [7:0] d,
   input [4:0] write_address, read_address,
   input we, clk
);
   reg [7:0] mem [0:31];
   integer i;

   initial begin
      for (i = 0; i < 32; i = i + 1)
         mem[i] = i[7:0];
   end

   always @ (posedge clk) begin
      if (we)
         mem[write_address] <= d;
      q <= mem[read_address];
   end
endmodule

Intel® Quartus® Prime Pro Edition synthesis和其他综合工具也支持$readmemb和$readmemh属性。这些属性支持RAM初始化和ROM初始化在综合和仿真中完全相同。

使用readmemb命令初始化的Verilog HDL RAM

reg [7:0] ram[0:15];
initial 
begin
	$readmemb("ram.txt", ram);
end

在VHDL中，您可以通过对相应信号指定默认值对一个推断存储器的内容进行初始化。 Intel® Quartus® Prime Pro Edition synthesis自动将默认值转换成.mif文件，用于推断的RAM。

包含初始化内容的VHDL RAM

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

ENTITY ram_with_init IS
    PORT(
            clock: IN STD_LOGIC;
            data: IN UNSIGNED (7 DOWNTO 0);
            write_address: IN integer RANGE 0 to 31;
            read_address: IN integer RANGE 0 to 31;
            we: IN std_logic;
            q: OUT UNSIGNED (7 DOWNTO 0));
END;

ARCHITECTURE rtl OF ram_with_init IS

    TYPE MEM IS ARRAY(31 DOWNTO 0) OF unsigned(7 DOWNTO 0);
    FUNCTION initialize_ram
        return MEM is
        variable result : MEM;
    BEGIN 
        FOR i IN 31 DOWNTO 0 LOOP
            result(i) := to_unsigned(natural(i), natural'(8));
        END LOOP; 
        RETURN result;
    END initialize_ram;

    SIGNAL ram_block : MEM := initialize_ram;
BEGIN
    PROCESS (clock)
    BEGIN
        IF (rising_edge(clock)) THEN
            IF (we = '1') THEN
            ram_block(write_address) <= data;
            END IF;
            q <= ram_block(read_address);
        END IF;
    END PROCESS;
END rtl;
二级标题