Intel® Hyperflex™ 体系结构高性能设计手册

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ID 683353
日期 10/04/2021
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1. Intel® Hyperflex™ FPGA体系结构介绍 2. Intel® Hyperflex™ 体系结构RTL设计指南 3. 编译 Intel® Hyperflex™ 体系结构设计 4. 设计实例演练(Design Example Walk-Through) 5. 重定时限制和解决方法 6. 优化实例 7. Intel® Hyperflex™ 体系结构移植指南 8. 附录 9. Intel® Hyperflex™ 体系结构高性能设计手册存档 10. Intel® Hyperflex™ 体系结构高性能设计手册修订历史
1. Intel® Hyperflex™ FPGA体系结构介绍 x
1.1. Intel® Hyperflex™ 体系结构设计概念
2. Intel® Hyperflex™ 体系结构RTL设计指南 x
2.1. 高速设计方法 2.2. Hyper-Retiming (协助寄存器移动) 2.3. Hyper-Pipelining (添加流水线寄存器) 2.4. Hyper-Optimization (优化RTL)
2.1. 高速设计方法 x
2.1.1. 设置一个高速目标 2.1.2. 实验和迭代 2.1.3. 独立地编译组件 2.1.4. 优化子模块 2.1.5. 避免广播信号
2.1.1. 设置一个高速目标 x
2.1.1.1. 速度和时序收敛 2.1.1.2. 速度和延迟
2.2. Hyper-Retiming (协助寄存器移动) x
2.2.1. 复位策略 2.2.2. 时钟使能策略 2.2.3. 综合期间保留寄存器 2.2.4. 时序约束考量 2.2.5. 时钟同步策略 2.2.6. 亚稳态同步器(Metastability Synchronizers) 2.2.7. 初始上电条件 2.2.8. 通过RAM和DSP的重定时
2.2.1. 复位策略 x
2.2.1.1. 移除异步复位(Removing Asynchronous Resets) 2.2.1.2. 全局时钟树上的同步复位 2.2.1.3. I/O端口上的同步复位 2.2.1.4. 复制和流水线同步复位
2.2.2. 时钟使能策略 x
2.2.2.1. 本地化时钟使能 2.2.2.2. 高扇出时钟使能 2.2.2.3. 带时序异常的时钟使能
2.2.4. 时序约束考量 x
2.2.4.1. 优化多周期路径 2.2.4.2. 过约束(Overconstraints)
2.2.5. 时钟同步策略 x
2.2.5.1. 时钟域交叉约束准则(Clock Domain Crossing Constraint Guidelines)
2.2.7. 初始上电条件 x
2.2.7.1. 指定初始存储器条件 2.2.7.2. 初始条件和重定时 2.2.7.3. 初始条件和Hyper-Registers 2.2.7.4. 重定时复位流程(Retiming Reset Sequences)
2.2.7.3. 初始条件和Hyper-Registers x
2.2.7.3.1. 实现时钟门控(Implementing Clock Gating) 2.2.7.3.2. 用于初始条件的 英特尔® Quartus® Prime设置
2.3. Hyper-Pipelining (添加流水线寄存器) x
2.3.1. 传统对超级流水线(Conventional versus Hyper-Pipelining) 2.3.2. 流水线和延迟 2.3.3. 使用寄存器代替多周期异常
2.3.2. 流水线和延迟 x
2.3.2.1. 可变延迟位置的流水线操作(Pipelining at Variable Latency Locations) 2.3.2.2. 自动流水线插入(Automatic Pipeline Insertion)
2.3.2.1. 可变延迟位置的流水线操作(Pipelining at Variable Latency Locations) x
2.3.2.1.1. 指定一个对延迟不敏感的伪路径
2.3.2.2. 自动流水线插入(Automatic Pipeline Insertion) x
2.3.2.2.1. 第1步：创建可变延迟模块 2.3.2.2.2. 第2步：例化可变延迟模块 2.3.2.2.3. 第3步：验证自动流水线插入选项 2.3.2.2.4. (可选)无可变延迟模块的自动流水线插入
2.4. Hyper-Optimization (优化RTL) x
2.4.1. 一般优化技术 2.4.2. 优化特定的设计结构
2.4.1. 一般优化技术 x
2.4.1.1. 香农分解(Shannon’s Decomposition) 2.4.1.2. 时间域多路复用(Time Domain Multiplexing) 2.4.1.3. 环路展开(Loop Unrolling) 2.4.1.4. 环路流水线(Loop Pipelining) 2.4.1.5. 预计算
2.4.1.1. 香农分解(Shannon’s Decomposition) x
2.4.1.1.1. 香农分解示例 2.4.1.1.2. 对香农分解识别电路
2.4.1.4. 环路流水线(Loop Pipelining) x
2.4.1.4.1. 环路流水线理论 2.4.1.4.2. 环路流水线演示 2.4.1.4.3. 环路流水线和综合优化
2.4.2. 优化特定的设计结构 x
2.4.2.1. 高速时钟域(High-Speed Clock Domains) 2.4.2.2. 重构环路(Restructuring Loops) 2.4.2.3. 控制信号反压(Control Signal Backpressure) 2.4.2.4. 使用FIFO状态信号的流程控制 2.4.2.5. 包含skid缓冲器的流程控制 2.4.2.6. Read-Modify-Write存储器 2.4.2.7. 计数器和累加器 2.4.2.8. 状态机 2.4.2.9. 储存器 2.4.2.10. DSP模块 2.4.2.11. 一般逻辑 2.4.2.12. 求模与除法 2.4.2.13. 复位 2.4.2.14. 硬件重用 2.4.2.15. 算法要求 2.4.2.16. FIFO 2.4.2.17. 三元加法器(Ternary Adders)
2.4.2.1. 高速时钟域(High-Speed Clock Domains) x
2.4.2.1.1. 可视化时钟网络 2.4.2.1.2. 查看Fitter报告中的时钟网络 2.4.2.1.3. 在Timing Analyzer中查看时钟
2.4.2.9. 储存器 x
2.4.2.9.1. Intel® Hyperflex™ 体系结构真双端口存储器 2.4.2.9.2. 使用简单双端口存储器 2.4.2.9.3. Intel® Hyperflex™ 体系结构简单双端口存储器示例 2.4.2.9.4. 存储器混合端口宽度比率限制 2.4.2.9.5. 未寄存的RAM输出
3. 编译 Intel® Hyperflex™ 体系结构设计 x
3.1. 独立编译子模块 3.2. Design Assistant设计规则检查
3.2. Design Assistant设计规则检查 x
3.2.1. 编译期间运行Design Assistant 3.2.2. 在分析模式下运行Design Assistant
3.2.2. 在分析模式下运行Design Assistant x
3.2.2.1. 从Design Assistant到可视化工具的交叉探测 3.2.2.2. 从Chip Planner运行Design Assistant 3.2.2.3. 从Timing Analyzer运行Design Assistant
4. 设计实例演练(Design Example Walk-Through) x
4.1. 中值滤波器设计实例
4.1. 中值滤波器设计实例 x
4.1.1. 步骤1：编译基本设计 4.1.2. 步骤2：添加流水线级和移除异步复位 4.1.3. 步骤3：添加更多的流水线级和移除全部异步复位 4.1.4. 步骤4：优化短路径和长路径条件
5. 重定时限制和解决方法 x
5.1. 设置dont_merge综合属性 5.2. 解读关键链报告(Interpreting Critical Chain Reports)
5.2. 解读关键链报告(Interpreting Critical Chain Reports) x
5.2.1. 不足的寄存器(insufficient Registers) 5.2.2. 短路径/长路径(short path/long path) 5.2.3. 快进限制(Fast Forward Limit) 5.2.4. 环路(loop) 5.2.5. 每个时钟域一个关键链 5.2.6. 相关时钟组中的关键链 5.2.7. 复杂的关键链 5.2.8. 延伸到可定位的节点 5.2.9. 域边界入口和域边界出口(Domain Boundary Entry and Domain Boundary Exit) 5.2.10. 包括双时钟存储器的关键链 5.2.11. 关键链比特和总线 5.2.12. 延迟线
5.2.1. 不足的寄存器(insufficient Registers) x
5.2.1.1. 不足寄存器实例(insufficient Registers Example) 5.2.1.2. 优化不足寄存器(Optimizing Insufficient Registers) 5.2.1.3. 包括双时钟存储器的关键链
5.2.2. 短路径/长路径(short path/long path) x
5.2.2.1. Hyper-Register位置不可用 5.2.2.2. 保持优化的实例 5.2.2.3. 优化短路径/长路径 5.2.2.4. 添加寄存器 5.2.2.5. 复制公共节点 5.2.2.6. 数据和控制平面
5.2.3. 快进限制(Fast Forward Limit) x
5.2.3.1. 优化路径限制(Optimizing Path Limit)
5.2.4. 环路(loop) x
5.2.4.1. 限制关键链环路的实例
6. 优化实例 x
6.1. 循环排程器(Round Robin Scheduler)
7. Intel® Hyperflex™ 体系结构移植指南 x
7.1. 设计移植和性能探索 7.2. 顶层设计考量
7.1. 设计移植和性能探索 x
7.1.1. Black-boxing Verilog HDL模块 7.1.2. Black-boxing VHDL模块 7.1.3. 时钟管理 7.1.4. 管脚分配 7.1.5. 收发器控制逻辑 7.1.6. 升级过时的IP内核
8. 附录 x
8.1. 附录A：可参数化的流水线模块 8.2. 附录B：时钟使能和复位
8.2. 附录B：时钟使能和复位 x
8.2.1. 同步复位和限制 8.2.2. 通过时钟使能重定时 8.2.3. 解决短路径
8.2.1. 同步复位和限制 x
8.2.1.1. 同步复位汇总
8.2.2. 通过时钟使能重定时 x
8.2.2.1. 广播控制信号的实例
1. Intel® Hyperflex™ FPGA体系结构介绍
2. Intel® Hyperflex™ 体系结构RTL设计指南
3. 编译 Intel® Hyperflex™ 体系结构设计
4. 设计实例演练(Design Example Walk-Through)
5. 重定时限制和解决方法
6. 优化实例
7. Intel® Hyperflex™ 体系结构移植指南
8. 附录
9. Intel® Hyperflex™ 体系结构高性能设计手册存档
10. Intel® Hyperflex™ 体系结构高性能设计手册修订历史

6.1. 循环排程器(Round Robin Scheduler)

循环排程器(round robin scheduler)是一个基本的功能模块。以下实例使用模数运算符来确定下一个客户端的服务。由于模数运算符执行除法运算，因此相对较慢，并且面积效率低下。

Round Robin Scheduler的源代码

module round_robin_modulo (last, requests, next);

parameter CLIENTS       = 7;
parameter LOG2_CLIENTS  = 3;

// previous client to be serviced
input wire [LOG2_CLIENTS -1:0]  last;
// Client requests:- 
input wire [CLIENTS -1:0] requests;
// Next client to be serviced: -
output reg [LOG2_CLIENTS -1:0] next;


//Schedule the next client in a round robin fashion, based on the previous
always @*
begin
   integer J, K;

   begin : find_next
   next = last; // Default to staying with the previous
   for (J = 1; J < CLIENTS; J=J+1)
      begin
      K = (last + J) % CLIENTS;
      if (requests[K] == 1'b1)
         begin
         	 next = K[0 +: LOG2_CLIENTS];
         	 disable find_next;
       	 end
		end // of the for-loop
    end   // of 'find_next'
end 

 endmodule
图 125. Round Robin Scheduler的快进编译报告

Retiming Summary报告识别关键链上限制Hyper-Retiming的不足寄存器。链从连接到最后一个输入的寄存器开始，通过使用分频器实现的模数运算符，并继续到连接到下一个输出的寄存器。

图 126. Round Robin Scheduler的基本性能的关键链

上面关键链中的44个单元对应于下面具有10级逻辑的电路图。模数运算符是导致低性能的主要因素。10级逻辑中的7级逻辑是模数运算符实现的一部分。

图 127. 关键链的原理图

如图 125所示，Fast Forward编译根据在模块输入上添加两个流水线级，通过逻辑云进行重定时，评估出一个140%的性能提升。此时，关键链是一条短路径/长路径，此链包含模数运算符。

图 128. Round Robin Scheduler的关键链快进编译

模数运算中的除法器是要求RTL修改的瓶颈。通过除法器的路径存在于关键链中，用于Fast Forward编译中所有步骤。考虑替代的实现来计算下一个要服务的客户端，以避免模数运算符。如果切换到一个将客户端的数量指定为2的幂数的实现，那么决定下一个要服务的客户端就不需要模数运算符。当使用少于2n个客户端来例化模块时，要将未使用的请求输入连接到逻辑0。

Round Robin Scheduler的源代码，通过2n个客户端输入提高了性能 

module round_robin_modulo (last, requests, next);

parameter LOG2_CLIENTS  = 3;
parameter CLIENTS       = 2**LOG2_CLIENTS;

// previous client to be serviced
input wire [LOG2_CLIENTS -1:0]  last;
// Client requests:- 
input wire [CLIENTS -1:0] requests;
// Next client to be serviced: -
output reg [LOG2_CLIENTS -1:0] next;


//Schedule the next client in a round robin fashion, based on the previous
always @(next or last or requests)
begin
   integer J, K;

   begin : find_next
   next = last; // Default to staying with the previous
   for (J = 1; J < CLIENTS; J=J+1)
      begin
      K = last + J;
      if (requests[K[0 +: LOG2_CLIENTS]] == 1'b1)
         begin
         	 next = K[0 +: LOG2_CLIENTS];
         	 disable find_next;
       	 end
	end // of the for-loop
  end   // of 'find_next'
end

 endmodule
图 129. Round Robin Scheduler(通过2n个客户端输入提高了性能)的Fast Forward Summary报告

即使没有任何Fast Forward优化(Base Performance步骤)，与Round Robin Scheduler的源代码中没有性能提升的版本相比，这种循环(round robin)实现的运行频率是其两倍。虽然两个版本中的关键链都只包含两个寄存器，但2n版本的关键链仅包含26个单元，而模数版本中只有44个单元。

图 130. 性能提升的Round Robin Scheduler的关键链

关键链中的26个单元对应于下面具有四级逻辑的电路图。

图 131. 性能提升的关键链的原理图

通过在输入端添加三个寄存器级，通过逻辑云进行重定时，Fast Forward Compile将电路性能提升至1 GHz。与模数版本类似，Fast Forward优化后的最终关键链具有短路径/长路径的限制原因，如图 132所示，但性能是模数版本的1.6倍。

图 132. 最佳性能的Round Robin Scheduler的关键链

移除模式运算符并切换到二次幂实现是一个很小的设计变化，但实现了显著的性能提升。

  • 仅可能地对数学运算使用自然二次幂
  • 对看似基本的功能探索替代的实现。

在此实例中，改变循环逻辑的实现提供了比添加流水线级更多的性能提升。

二级标题