インテル® Quartus® Primeプロ・エディションのユーザーガイド: デザイン上の推奨事項

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ID 683082
日付 4/13/2020
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ドキュメント目次
ドキュメント目次 x
1. 推奨HDLコーディング・スタイル 2. 推奨デザイン・プラクティス 3. インテル® Quartus® Primeソフトウェアによる準安定性の管理 A. インテル® Quartus® Primeプロ・エディション ユーザーガイド
1. 推奨HDLコーディング・スタイル x
1.1. 提供されたHDLテンプレートの使用 1.2. HDL で IPコアをインスタンス化する 1.3. 乗数とDSP関数の推論 1.4. HDL コードからのメガファンクションの推測 1.5. レジスターおよびラッチ・コーディング・ガイドライン 1.6. 全体的なコーディング・ガイドライン 1.7. 低レベルのプリミティブを使用したデザイン 1.8. 推奨HDLコーディング・スタイルの改訂履歴
1.1. 提供されたHDLテンプレートの使用 x
1.1.1. 提供されたテンプレートからのHDLコードの挿入　
1.3. 乗数とDSP関数の推論 x
1.3.1. 乗数の推測 Verilog HDL符号なし乗算器　 Verilog HDL Signed Multiplier with Input and Output Registers (Pipelining = 2) VHDL Unsigned Multiplier with Input and Output Registers (Pipelining = 2) VHDL Signed Multiplier 1.3.2. 積和関数と積和関数の推論
1.4. HDL コードからのメガファンクションの推測 x
1.4.1. HDL コードからのメガファンクションの推測 1.4.2. HDL コードからのROMファンクションの推測 1.4.3. HDLコードでのシフトレジスターの推論
1.4.1. HDL コードからのメガファンクションの推測 x
1.4.1.1. 同期メモリーブロックの使用 1.4.1.2. サポートされていないリセットおよび制御条件の回避 1.4.1.3. Read-During-Write動作の確認 1.4.1.4. RAMの推論と実装の制御　 1.4.1.5. 古いデータのRead-During-Write動作を備えたシングルクロック同期RAM 1.4.1.6. 新しいデータのRead-During-Write動作を備えたシングルクロック同期RAM 1.4.1.7. Verilog HDLシンプル・デュアル・ポートおよびデュアル・クロック同期RAM 1.4.1.8. トゥルー・デュアル・ポート同期RAM 1.4.1.9. 混合幅デュアルポートRAM 1.4.1.10. バイトイネーブル信号付きRAM 1.4.1.11. 電源投入時に初期メモリーの内容の指定
1.4.3. HDLコードでのシフトレジスターの推論 x
1.4.3.1. シンプル・シフト・レジスター 1.4.3.2. タップを等間隔に配置したシフトレジスター
1.5. レジスターおよびラッチ・コーディング・ガイドライン x
1.5.1. レジスターのパワーアップ・レベル 1.5.2. クリアおよびクロックイネーブルなどのセカンダリー・レジスター制御信号 1.5.3. ラッチ
1.5.1. レジスターのパワーアップ・レベル x
1.5.1.1. パワーアップ値の指定
1.5.3. ラッチ x
1.5.3.1. 意図しないラッチ生成を回避する 1.5.3.2. ラッチを正しく推測する
1.6. 全体的なコーディング・ガイドライン x
1.6.1. トライステート信号 1.6.2. クロック・マルチプレクサー 1.6.3. 加算器ツリー 1.6.4. ステートマシンHDLガイドライン 1.6.5. マルチプレクサーHDLガイドライン 1.6.6. 巡回冗長検査機能 1.6.7. コンパレーターHDLガイドライン 1.6.8. カウンターHDLのガイドライン
1.6.3. 加算器ツリー x
1.6.3.1. アダプティブ・ロジック・モジュールの6入力LUTを使用したアーキテクチャー
1.6.4. ステートマシンHDLガイドライン x
1.6.4.1. ステートマシンの電源投入 1.6.4.2. Verilog HDLステートマシン 1.6.4.3. VHDLステート・マシン
1.6.4.2. Verilog HDLステートマシン x
1.6.4.2.1. Verilog-2001ステート・マシン・コーディングの例 1.6.4.2.2. SystemVerilogステート・マシン・コーディングの例
1.6.4.3. VHDLステート・マシン x
1.6.4.3.1. VHDLステート・マシン・コーディングの例
1.6.5. マルチプレクサーHDLガイドライン x
1.6.5.1. マルチプレクサーの再構築のための インテル® Quartus® Primeソフトウェアオプション 1.6.5.2. マルチプレクサー・タイプ 1.6.5.3. IFステートメントの暗黙的なデフォルト 1.6.5.4. defaultまたはOTHERS CASEの割り当て
1.6.5.2. マルチプレクサー・タイプ x
1.6.5.2.1. バイナリー・ルチプレクサー 1.6.5.2.2. セレクター・マルチプレクサー 1.6.5.2.3. 優先マルチプレクサー
1.6.6. 巡回冗長検査機能 x
1.6.6.1. パフォーマンスが重要な場合、速度を最適化する 1.6.6.2. カスケードステージの代わりに個別のCRCブロックを使用する 1.6.6.3. ブロックのマージを許可する代わりに、個別のCRCブロックを使用する 1.6.6.4. 可能な場合はレイテンシーを活用する 1.6.6.5. CRCブロックを使用していないときに無効にして電力を節約する 1.6.6.6. 同期ロード（sload）信号でデバイスを初期化する
2. 推奨デザイン・プラクティス x
2.1. 同期FPGAデザイン・プラクティスに従う 2.2. HDLデザイン・ガイドライン 2.3. Design Assistantを使用したデザイ・ンルール・チェック 2.4. クロックおよびレジスター・コントロール・アーキテクチャー機能のターゲット化 2.5. 組み込みRAMの実装 2.6. 推奨されるデザインン・プラクティスの改訂履歴
2.1. 同期FPGAデザイン・プラクティスに従う x
2.1.1. デザインの実装 2.1.2. 非同期デザインの危険
2.2. HDLデザイン・ガイドライン x
2.2.1. インテル® Hyperflex™ FPGAアーキテクチャーの考慮事項 2.2.2. 組み合わせロジックの最適化 2.2.3. クロッキング方式の最適化 2.2.4. 物理的な実装とタイミング・クロージャーの最適化 2.2.5. 消費電力の削減 2.2.6. デザインの準安定性の管理
2.2.2. 組み合わせロジックの最適化 x
2.2.2.1. 組み合わせループの回避 2.2.2.2. 意図しないラッチ推論の回避 2.2.2.3. クロックパスでの遅延チェインの回避 2.2.2.4. 同期パルス・ジェネレーターの用
2.2.3. クロッキング方式の最適化 x
2.2.3.1. 組み合わせロジック出力のレジスター 2.2.3.2. 非同期クロック分割の回避 2.2.3.3. リップル・カウンタの回避 2.2.3.4. 異なるクロックの使用 2.2.3.5. ゲート付きクロックの使用 2.2.3.6. 同期クロック・イネーブルの使用
2.2.3.5. ゲート付きクロックの使用 x
2.2.3.5.1. 推奨されるクロック・ゲーティング方法
2.2.4. 物理的な実装とタイミング・クロージャーの最適化 x
2.2.4.1. 物理的な実装の計画 2.2.4.2. FPGAリソースの計画 2.2.4.3. タイミング・クロージャーのプランニング 2.2.4.4. クリティカル・タイミング・パスの最適化
2.3. Design Assistantを使用したデザイ・ンルール・チェック x
2.3.1. Design Assistantの設定 2.3.2. コンパイル中のDesign Assistantの実行 2.3.3. 解析モードでのDesign Assistantの実行 2.3.4. Design Assistantのルールの管理 2.3.5. Design Assistantルールドキュメントへのリンク　 2.3.6. Design Assistantのルール
2.3.3. 解析モードでのDesign Assistantの実行 x
2.3.3.1. Design Assistantからのクロスプローブ 2.3.3.2. Chip PlannerからのDesign Assistantの実行 2.3.3.3. Timing AnalyzerからDesign Assistantを実行
2.3.4. Design Assistantのルールの管理 x
2.3.4.1. 特定のCompilerステージのルールの有効化　 2.3.4.2. 特定Compilerステージのルールパラメータの指定 2.3.4.3. ルールの重大度レベルの変更　 2.3.4.4. レポートでのルール違反のフィルタリングと非表示 2.3.4.5. Changing Default Number of Violations per Rule
2.3.4.4. レポートでのルール違反のフィルタリングと非表示 x
2.3.4.4.1. Filter Optionsダイアログボックス
2.3.6. Design Assistantのルール x
2.3.6.1. インテル® Hyperflex™ Retimer Readiness (HRR)のルール 2.3.6.2. Timing Closure （TMC）のルール　 2.3.6.3. Clock Domain Crossing (CDC)tルール 2.3.6.4. プラットフォーム・デザイナー Interface （PDI）のルール 2.3.6.5. Clock（CLK）のルール 2.3.6.6. Reset（RES）のルール 2.3.6.7. Non-Synchronous Structure（NSS）のルール　 2.3.6.8. Signal Race （SGR）のルール 2.3.6.9. Floorplanning （FLP）のルール
2.3.6.1. インテル® Hyperflex™ Retimer Readiness (HRR)のルール x
2.3.6.1.1. HRR-10003: Registers on High Fan-Out Non-Global Nets 2.3.6.1.2. HRR-10004: High Fan-out Non-Global Nets 2.3.6.1.3. HRR-10101: Asynchronous Clears 2.3.6.1.4. HRR-10107: Maximum Fan-out for Signal 2.3.6.1.5. HRR-10115: High Fan-out Signal 2.3.6.1.6. HRR-10201: Power Up Don't Care Setting May Prevent Retiming 2.3.6.1.7. HRR-10203: Register Power-Up Settings Conflict with Device Settings 2.3.6.1.8. HRR-10204: Reset Release Instance Count Check
2.3.6.2. Timing Closure （TMC）のルール　 x
2.3.6.2.1. TMC-20001: Timing Paths With Impossible Hold Requirement 2.3.6.2.2. TMC-20002: Timing Paths with Removal Slack Exceeding Threshold 2.3.6.2.3. TMC-20004: Timing Paths with Setup Slack Exceeding Threshold 2.3.6.2.4. TMC-20005: Timing Paths with Recovery Slack Exceeding Threshold 2.3.6.2.5. TMC-20006: Unregistered User-Partition Inputs 2.3.6.2.6. TMC-20007: Unregistered Paths Between User-Partitions 2.3.6.2.7. TMC-20010: Logic Level Depth 2.3.6.2.8. TMC-20011: Missing Input Delay 2.3.6.2.9. TMC-20012: Missing Output Delay 2.3.6.2.10. TMC-20013: Partial Input Delay 2.3.6.2.11. TMC-20014: Partial Output Delay 2.3.6.2.12. TMC-20015: Inconsistent Min-Max Delay 2.3.6.2.13. TMC-20016: Invalid Reference Pin 2.3.6.2.14. TMC-20017: Loops Detected 2.3.6.2.15. TMC-20018: Latches Detected 2.3.6.2.16. TMC-20019: Partial Multicycle Assignment 2.3.6.2.17. TMC-20020: Invalid Multicycle Assignment 2.3.6.2.18. TMC-20021: Partial Min-Max Delay Assignment 2.3.6.2.19. TMC-20022: Incomplete I/O Delay Assignment 2.3.6.2.20. TMC-20050: RAM Control Signals Driven by LUTs or ALMs instead of DFFs 2.3.6.2.21. TMC-20051: RAM Control Signals Driven by High Fan-Out Net 2.3.6.2.22. TMC-20052: Inferred Latch Count Check 2.3.6.2.23. TMC-20200: Setup-Failing Paths with Impossible Requirements 2.3.6.2.24. TMC-20201: Setup-Failing Paths with High Clock Skew 2.3.6.2.25. TMC-20202: Setup-Failing Paths with High Logic Delay 2.3.6.2.26. TMC-20203: Setup-Failing Paths with High Fabric Interconnect Delay 2.3.6.2.27. TMC-20204: Setup-Failing Path Endpoints with Retiming Restrictions 2.3.6.2.28. TMC-20205: Setup-Failing Path Endpoints with Explicit Power-Up States Can Restrict Retiming 2.3.6.2.29. TMC-20500: Hierarchical Tree Duplication was Shallower than Possible 2.3.6.2.30. TMC-20501: Hierarchical Tree Duplication was Shallower than Requested 2.3.6.2.31. TMC-20550: Automatically-Discovered Duplication Candidate Rejected for Placement Constraint 2.3.6.2.32. TMC-20551: Automatically-Discovered Duplication Candidate Likely Requires More Duplication 2.3.6.2.33. TMC-20552: User-Directed Duplication Candidate was Rejected 2.3.6.2.34. TMC-20601: Registers with High Immediate Fan-Out Tension 2.3.6.2.35. TMC-20602: Registers with High Timing Path Endpoint Tension 2.3.6.2.36. TMC-20603: Registers with High Immediate Fan-Out Span 2.3.6.2.37. TMC-20604: Registers with High Timing Path Endpoint Span
2.3.6.3. Clock Domain Crossing (CDC)tルール x
2.3.6.3.1. CDC-50001: 1-Bit Asynchronous Transfer Not Synchronized 2.3.6.3.2. CDC-50002: 1-Bit Asynchronous Transfer Missing Timing Constraint 2.3.6.3.3. CDC-50003: CE-Type CDC Missing Skew Constraints
2.3.6.4. プラットフォーム・デザイナー Interface （PDI）のルール x
2.3.6.4.1. PDI-20100: プラットフォーム・デザイナー Interconnect Timing Violation 2.3.6.4.2. PDI-20101: プラットフォーム・デザイナー Interconnect Burst Adapter Timing Violation
2.3.6.5. Clock（CLK）のルール x
2.3.6.5.1. CLK-30001: Gated Clock is Not Feeding at Least a Predefined Number of Clock Ports to Effectively Save Power 2.3.6.5.2. CLK-30002:クロック・ピン以外のピンをドライブするクロック 2.3.6.5.3. CLK-30026: Missing Clock Assignment 2.3.6.5.4. CLK-30027: Multiple Clock Assignment 2.3.6.5.5. CLK-30028: Invalid Generated Clock 2.3.6.5.6. CLK-30029: Invalid Clock Assignments 2.3.6.5.7. CLK-30030: PLL Setting Violation 2.3.6.5.8. CLK-30031: Input Delay Assigned to Clock
2.3.6.6. Reset（RES）のルール x
2.3.6.6.1. RES-30131: Reset Nets with Polarity Conflict 2.3.6.6.2. RES-30132: Registers May Not Be Properly Reset 2.3.6.6.3. RES-30133: Embedded Memory Blocks with Initialized Content That Might be Affected by Spurious Writes 2.3.6.6.4. RES-50001: Asynchronous Reset Is Not Synchronized 2.3.6.6.5. RES-50002: Asynchronous Reset is Insufficiently Synchronized 2.3.6.6.6. RES-50003: Asynchronous Reset Missing Timing Constraint 2.3.6.6.7. RES-50004: Multiple Asynchronous Resets within Reset Synchronizer Chain 2.3.6.6.8. RES-50005: RAM Control Signals Driven by Flops with Asynchronous Clears
2.3.6.7. Non-Synchronous Structure（NSS）のルール　 x
2.3.6.7.1. NSS-30011: Design Contains Combinational Loops 2.3.6.7.2. NSS-30012: Design Contains Latches 2.3.6.7.3. NSS-30013: Design Contains Ripple Clock Structures 2.3.6.7.4. NSS-30014: Asynchronous Pulse Generators 2.3.6.7.5. NSS-30015: Multiple Pulses Generated in the Design 2.3.6.7.6. NSS-30016: Design Contains SR Latches 2.3.6.7.7. NSS-30017: Register Output Driving Its Own Control Signal Directly or Through Combinational Logic 2.3.6.7.8. NSS-30018: Design Contains Delay Chains
2.3.6.8. Signal Race （SGR）のルール x
2.3.6.8.1. SGR-30020: Synchronous and Asynchronous Ports of the Same Register Driven by the Same Signal Source 2.3.6.8.2. SGR-30021: More Than One Asynchronous Port of a Register Driven by the Same Signal Source 2.3.6.8.3. SGR-30022: Clock Port and Any Other Port of a Register Driven by the Same Signal Source
2.3.6.9. Floorplanning （FLP）のルール x
2.3.6.9.1. FLP-40001: Congested Placement Region 2.3.6.9.2. FLP-40002: Very Small Routing Regions 2.3.6.9.3. FLP-40003: Narrow Region 2.3.6.9.4. FLP-40005: Congested Routing Region
2.4. クロックおよびレジスター・コントロール・アーキテクチャー機能のターゲット化 x
2.4.1. グローバル・リセット・リソースを使用する 2.4.2. PLLおよびクロック・ネットワーク・リソース 2.4.3. クロック領域の　割り当てを使用してクロック制約を最適化する 2.4.4. 非同期レジスター制御信号を回避する
2.4.1. グローバル・リセット・リソースを使用する x
2.4.1.1. 同期デザインを使用する 2.4.1.2. 部分非同期リセット 2.4.1.3. 同期非同期リセットを使用する
2.4.3. クロック領域の　割り当てを使用してクロック制約を最適化する x
2.4.3.1. インテル® Stratix® 10デバイスでのClock Regionの割り当て 2.4.3.2. インテル® Arria® 10および以前のデバイスファミリーでのクロック領域の割り当て
3. インテル® Quartus® Primeソフトウェアによる準安定性の管理 x
3.1. インテル® Quartus® Primeソフトウェアの準安定解析 3.2. 準安定性とMTBFレポート 3.3. HDLの最適化 3.4. 準安定効果の低減 3.5. スクリプティング・サポート 3.6. 準安定性の管理 3.7. インテル® Quartus® Primeソフトウェアでの準安定性の管理の改訂履歴
3.1. インテル® Quartus® Primeソフトウェアの準安定解析 x
3.1.1. シフトレジスター・チェイン 3.1.2. メタスタビリティー分析用のシンクロナイザーを特定する 3.1.3. タイミング制約がシンクロナイザーの識別と準安定性分析に与える影響
3.2. 準安定性とMTBFレポート x
3.2.1. 準安定性レポート 3.2.2. MTBF計算のシンクロナイザー・データ・トグル・レート
3.2.1. 準安定性レポート x
3.2.1.1. Clocks Summary レポート 3.2.1.2. Clocks Summary レポート 3.2.1.3. Timing AnalyzerのSynchronizer Chain Statisticsレポート
3.2.1.1. Clocks Summary レポート x
3.2.1.1.1. デザインの典型的な最悪のMTBF 3.2.1.1.2. シンクロナイザーチェイン 3.2.1.1.3. 使用可能な整定時間の増加
3.3. HDLの最適化 x
3.3.1. 同期レジスターチェインの長さ
3.4. 準安定効果の低減 x
3.4.1. Timing Analyzerにシステム中心の完全なタイミング制約を適用する 3.4.2. 同期レジスターの識別を強制する 3.4.3. シンクロナイザーのデータトグルレートを設定する 3.4.4. フィッティング中のパワーを最適化する 3.4.5. シンクロナイザーの長さを増やして保護および最適化する 3.4.6. シンクロナイザーで使用されるステージの数を増やす 3.4.7. より高速なスピードグレードデバイスを選択する
3.5. スクリプティング・サポート x
3.5.1. 準安定性解析のためのシンクロナイザーの特定 3.5.2. MTBF計算のシンクロナイザーデータトグルレート 3.5.3. report_metastabilityおよびTclコマンド 3.5.4. HDLの最適化 3.5.5. 同期レジスターチェインの長さ
1. 推奨HDLコーディング・スタイル
2. 推奨デザイン・プラクティス
3. インテル® Quartus® Primeソフトウェアによる準安定性の管理
A. インテル® Quartus® Primeプロ・エディション ユーザーガイド

1.3.1. 乗数の推測

乗数関数を推測するために、合成ツールは乗数ロジックを検出し、Intel FPGA IPコアにこれを実装します。またはデバイスアトムにロジックを直接マップします。

DSPブロックを備えたデバイスの場合、 インテル® Quartus® Prime合成では、デバイスの使用率に応じて、ロジックではなくDSPブロックに機能を実装できます。 インテル® Quartus® Primeフィッターは、DSPブロックに入力および出力レジスターを配置（つまり、レジスター・パッキングを実行）して、パフォーマンスと領域の使用率を向上させることもできます。

次のVerilog HDLおよびVHDLコード例は、合成ツールが符号付きおよび符号なし乗算器をIPコアまたはDSPブロックアトムとして推論できることを示しています。各例は1つのDSPブロック要素に収まります。さらに、レジスターの一覧ーのパッキングが発生すると、レジスターの追加のロジックセルは不要です。

Verilog HDL符号なし乗算器　

module unsigned_mult (out, a, b);
	output [15:0] out;
	input [7:0] a;
	input [7:0] b;
	assign out = a * b;
endmodule
注: Verilog HDLのsignedき宣言は、Verilog 2001 Standardの機能です。

Verilog HDL Signed Multiplier with Input and Output Registers (Pipelining = 2) 

module signed_mult (out, clk, a, b);
   output [15:0] out;
   input clk;
   input signed [7:0] a;
   input signed [7:0] b;

   reg signed [7:0] a_reg;
   reg signed [7:0] b_reg;
   reg signed [15:0] out;
   wire signed [15:0] mult_out;

   assign mult_out = a_reg * b_reg;

   always @ (posedge clk)
   begin
      a_reg <= a;
      b_reg <= b;
      out <= mult_out;
   end
endmodule

VHDL Unsigned Multiplier with Input and Output Registers (Pipelining = 2) 

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

ENTITY unsigned_mult IS
   PORT (
      a: IN UNSIGNED (7 DOWNTO 0);
      b: IN UNSIGNED (7 DOWNTO 0);
      clk: IN STD_LOGIC;
      aclr: IN STD_LOGIC;
      result: OUT UNSIGNED (15 DOWNTO 0)
   );
END unsigned_mult;

ARCHITECTURE rtl OF unsigned_mult IS
   SIGNAL a_reg, b_reg: UNSIGNED (7 DOWNTO 0);
BEGIN
   PROCESS (clk, aclr)
   BEGIN
      IF (aclr ='1') THEN
         a_reg <= (OTHERS => '0');
         b_reg <= (OTHERS => '0');
         result <= (OTHERS => '0');
      ELSIF (rising_edge(clk)) THEN
         a_reg <= a;
         b_reg <= b;
         result <= a_reg * b_reg;
      END IF;
   END PROCESS;
END rtl;

VHDL Signed Multiplier

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

ENTITY signed_mult IS
   PORT (
      a: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);
      b: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);
      result: OUT SIGNED (15 DOWNTO 0)
   );
END signed_mult;

ARCHITECTURE rtl OF signed_mult IS
BEGIN
   result <= a * b;
END rtl;
レベル 2 の表題