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
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

1.6.4. 状态机HDL指南

综合工具可以在综合过程中对Verilog HDL和VHDL状态机进行识别和编码。本节介绍了使用状态机时确保最佳结果的指南。

可以将一段代码识别为状态机的综合工具可以执行优化，以改善设计区域和性能。例如，此工具可以重新编码状态变量以提高结果的质量，或者通过状态机的已知属性来优化设计的其他部分。

为了获得最佳结果，综合工具通常对FPGA器件使用独热(one-hot)编码，对CPLD器件使用最小比特(minimal-bit)编码，尽管实现的选择可能因不同的状态机和不同的器件而异。有关控制状态机编码的技术，请参考综合工具文档。

为确保正确识别和推断状态机并提高结果质量，对于Verilog HDL和VHDL，请遵循以下准则：

  • 将默认值分配给从状态机派生的输出，以便综合不会生成不需要的锁存器。
  • 将状态机逻辑与所有算术函数和数据路径分开，包括分配输出值。
  • 对于其中多个状态执行相同操作的设计，请在状态机外部定义该操作，并指示状态机的输出逻辑使用该值。
  • 确保一个定义的上电状态，包括一个简单的异步或同步reset。在状态机包含更复杂的reset逻辑(例如异步reset和异步负载)的设计中， Intel® Quartus® Prime软件推断常规逻辑而不是状态机。

如果状态机由于器件问题而进入非法状态，那么该设计可能会停止正确运行，直到状态机的下次reset为止。综合工具默认情况下不提供这种情况。如果系统中存在某些故障，那么其他所有寄存器也会遇到相同的问题。假设设计从未特意进入此状态，那么default或者when others子句不影响此操作时。如果正常状态机操作无法达到默认状态，那么综合工具会删除默认状态生成的任何逻辑。

很多综合工具(包括 Intel® Quartus® Prime 综合)可以选择实现安全状态机。 Intel® Quartus® Prime软件会插入额外的逻辑来检测非法状态，并强制状态机转换到reset状态。当状态机可以进入非法状态时，例如，当状态机有一个源自另一个时钟域的控制输入(例如，一个双时钟FIFO的控制逻辑)时，安全状态机很有用。

此选项通过强制状态机进入reset状态来保护状态机。设计中的所有其他寄存器均不受这种方式的保护。对于具有异步输入的设计，最佳实践是使用同步寄存器链，而不是依赖于安全状态机选项。


本章节内容
状态机上电
Verilog HDL状态机
VHDL状态机

二级标题