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

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ID 683082
日付 8/03/2023
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ドキュメント目次
ドキュメント目次 x
1. 推奨されるHDLコーディング・スタイル 2. 推奨されるデザイン手法 3. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアによるメタスタビリティーの管理 4. インテル® Quartus® Prime プロ・エディションのユーザーガイド: デザインの推奨事項のアーカイブ A. インテル® Quartus® Prime プロ・エディションのユーザーガイド
1. 推奨されるHDLコーディング・スタイル x
1.1. 提供されているHDLテンプレートの使用 1.2. HDLでのIPコアのインスタンス化 1.3. 乗算器とDSP機能の推論 1.4. HDLコードからのメモリー機能の推論 1.5. レジスターおよびラッチのコーディング・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するデザイン 1.8. HDLコードにおけるクロスモジュール参照 (XMR) 1.9. HDLコードでの force ステートメントの使用 1.10. 推奨されるHDLコーディング・スタイルの改訂履歴
1.1. 提供されているHDLテンプレートの使用 x
1.1.1. 提供されているテンプレートからのHDLコードの挿入
1.3. 乗算器とDSP機能の推論 x
1.3.1. 乗算器の推論 1.3.2. 乗累および積和関数の推論
1.4. HDLコードからのメモリー機能の推論 x
1.4.1. HDLコードからのRAM機能の推論 1.4.2. HDLコードからのROM機能の推論 1.4.3. HDLコードでのシフトレジスターの推論 1.4.4. HDLコードでのFIFOの推論
1.4.1. HDLコードからのRAM機能の推論 x
1.4.1.1. 同期メモリーブロックの使用 1.4.1.2. サポートされないリセットおよびコントロール条件の回避 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. シングルクロック同期RAM (古いデータでのRead-During-Write動作) 1.4.1.6. シングルクロック同期RAM (新しいデータでのRead-During-Write動作) 1.4.1.7. シンプル・デュアルポート、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・イネーブル信号を備えるRAM 1.4.1.11. 電源投入時の初期のメモリーコンテンツの指定
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. シンプルなシフトレジスター 1.4.3.2. 等間隔のタップを備えるシフトレジスター
1.4.4. HDLコードでのFIFOの推論 x
1.4.4.1. Verilog HDLデュアルクロックFIFOの例 1.4.4.2. デュアルクロックFIFOのタイミング制約
1.5. レジスターおよびラッチのコーディング・ガイドライン x
1.5.1. 電源投入時のレジスター値 1.5.2. レジスターの二次コントロール信号 (クリアおよびクロックイネーブルなど) 1.5.3. ラッチ
1.5.1. 電源投入時のレジスター値 x
1.5.1.1. 電源投入時の値の指定
1.5.3. ラッチ x
1.5.3.1. 意図しないラッチ生成の回避 1.5.3.2. ラッチの正しい推論
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. クロックの多重化 1.6.3. 加算器ツリー 1.6.4. HDLにおけるステートマシンに関するガイドライン 1.6.5. マルチプレクサーのHDLガイドライン 1.6.6. 巡回冗長検査機能 1.6.7. コンパレーターに関するHDLガイドライン 1.6.8. カウンターに関するHDL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・モジュールでの6入力LUTを備えるアーキテクチャー 1.6.3.2. 加算器ツリースタイルの変更
1.6.4. HDLにおけるステートマシンに関するガイドライン x
1.6.4.1. ステートマシンの起動 1.6.4.2. Verilog HDLのステートマシン 1.6.4.3. VHDLのステートマシン
1.6.4.2. Verilog HDLのステートマシン x
1.6.4.2.1. Verilog-2001のステートマシン・コーディング例 1.6.4.2.2. SystemVerilogのステートマシン・コーディング例
1.6.4.3. VHDLのステートマシン x
1.6.4.3.1. VHDLのステートマシン・コーディング例
1.6.5. マルチプレクサーのHDLガイドライン x
1.6.5.1. マルチプレクサーの再構築に向けた インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアのオプション 1.6.5.2. マルチプレクサーのタイプ 1.6.5.3. IF ステートメントの暗黙的デフォルト 1.6.5.4. default または OTHERS を使用する CASE 割り当て
1.6.5.2. マルチプレクサーのタイプ x
1.6.5.2.1. バイナリー・マルチプレクサー 1.6.5.2.2. セレクター・マルチプレクサー 1.6.5.2.3. プライオリティー・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の速度の最適化 1.6.6.2. カスケードステージに代わる個別のCRCブロックの使用 1.6.6.3. ブロックのマージに代わる個別のCRCブロックの使用 1.6.6.4. 可能な場合のレイテンシーの活用 1.6.6.5. 使用していない場合にCRCブロックを無効にすることでの消費電力削減 1.6.6.6. 同期ロード (sload) 信号によるデバイスの初期化
2. 推奨されるデザイン手法 x
2.1. FPGA同期デザイン手法の順守 2.2. HDLのデザイン・ガイドライン 2.3. 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使用 2.4. エンベデッドRAMの実装 2.5. デザイン・アシスタントにおけるデザイン規則のチェック 2.6. 推奨されるデザイン手法の改訂履歴
2.1. FPGA同期デザイン手法の順守 x
2.1.1. 同期デザインの実装 2.1.2. 非同期デザインの危険性
2.2. HDLのデザイン・ガイドライン x
2.2.1. インテル® Hyperflex™ FPGAアーキテクチャーにおける考慮事項 2.2.2. 組み合わせロジックの最適化 2.2.3. クロックスキームの最適化 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. 消費電力の最適化 2.2.6. デザインのメタスタビリティーの管理
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ーンの回避 2.2.2.4. 同期パルス・ジェネレーターの使用
2.2.3. クロックスキームの最適化 x
2.2.3.1. 組み合わせロジックの出力のレジスター 2.2.3.2. 非同期クロック分周の回避 2.2.3.3. リップルカウンターの回避 2.2.3.4. クロック多重化の使用 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・ゲーティング手法
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. 物理的な実装のプランニング 2.2.4.2. FPGAリソースのプランニング 2.2.4.3. タイミング・クロージャーに向けた最適化 2.2.4.4. クリティカル・タイミング・パスの最適化
2.3. 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使用 x
2.3.1. グローバル・リセット・リソースの使用 2.3.2. グローバル・クロック・ネットワーク・リソースの使用 2.3.3. クロック領域割り当てによるクロック制約の最適化 2.3.4. 非同期レジスター・コントロール信号の回避
2.3.1. グローバル・リセット・リソースの使用 x
2.3.1.1. 同期リセットの使用 2.3.1.2. 非同期リセットの使用 追従レジスターを備える非同期リセットに対応するVerilog HDLコード 非同期リセットに向けたSDC制約 2.3.1.3. 同期非同期リセットの使用
2.3.3. クロック領域割り当てによるクロック制約の最適化 x
2.3.3.1. インテル® Stratix® 10デバイスにおけるクロック領域割り当て 2.3.3.2. 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割り当て
2.5. デザイン・アシスタントにおけるデザイン規則のチェック x
2.5.1. デザイン・アシスタントのセットアップ 2.5.2. コンパイル時のデザイン・アシスタントの実行 2.5.3. 解析モードでのデザイン・アシスタントの実行 2.5.4. デザイン・アシスタントからのクロスプローブ 2.5.5. デザイン・アシスタント規則の管理 2.5.6. デザイン・アシスタント規則のカテゴリー
2.5.1. デザイン・アシスタントのセットアップ x
2.5.1.1. デザイン・アシスタント規則の重大度
2.5.2. コンパイル時のデザイン・アシスタントの実行 x
2.5.2.1. デザイン・アシスタント規則のヘルプへのアクセス
2.5.3. 解析モードでのデザイン・アシスタントの実行 x
2.5.3.1. Chip Plannerからのデザイン・アシスタントの起動 2.5.3.2. タイミング・アナライザーからのデザイン・アシスタントの起動
2.5.4. デザイン・アシスタントからのクロスプローブ x
2.5.4.1. デザイン・アシスタントからタイミング・アナライザーへのクロスプローブ 2.5.4.2. デザイン・アシスタントから視覚化ツールへのクロスプローブ
2.5.5. デザイン・アシスタント規則の管理 x
2.5.5.1. デフォルトの規則ごとの違反数の変更 2.5.5.2. 特定のコンパイラー・ステージに対する規則の有効化 2.5.5.3. 特定のコンパイラー・ステージに対する規則のパラメーターの指定 2.5.5.4. 規則の重大度レベルの変更 2.5.5.5. デザイン・アシスタント規則の免除 2.5.5.6. デザイン・アシスタントのタグ
2.5.5.5. デザイン・アシスタント規則の免除 x
2.5.5.5.1. デザイン・アシスタントにおける規則免除の作成 2.5.5.5.2. Design Assistant Waiverダイアログボックス 2.5.5.5.3. デザイン・アシスタントにおける規則免除の削除 2.5.5.5.4. デザイン・アシスタント規則免除のTclコマンド 2.5.5.5.5. drc::add_waiverコマンド 2.5.5.5.6. drc::get_waiversコマンド 2.5.5.5.7. drc::report_waiversコマンド
3. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアによるメタスタビリティーの管理 x
3.1. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアでのメタスタビリティー解析 3.2. メタスタビリティーとMTBFのレポート 3.3. MTBFの最適化 3.4. メタスタビリティーの影響の軽減 3.5. スクリプティングのサポート 3.6. メタスタビリティーの管理 3.7. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアによるメタスタビリティーの管理の改訂履歴
3.1. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアでのメタスタビリティー解析 x
3.1.1. データの同期レジスターチェーン 3.1.2. メタスタビリティー解析に向けたシンクロナイザーの特定 3.1.3. タイミング制約がシンクロナイザーの識別とメタスタビリティー解析におよぼす影響
3.2. メタスタビリティーとMTBFのレポート x
3.2.1. メタスタビリティー・レポート 3.2.2. MTBF計算におけるシンクロナイザーのデータ・トグル・レート
3.2.1. メタスタビリティー・レポート x
3.2.1.1. MTBF概要レポート 3.2.1.2. シンクロナイザー概要レポート 3.2.1.3. タイミング・アナライザーのシンクロナイザー・チェーン統計レポート
3.2.1.1. MTBF概要レポート x
3.2.1.1.1. デザインの標準的なMTBFとワーストケースのMTBF 3.2.1.1.2. シンクロナイザー・チェーン 3.2.1.1.3. 利用可能なセトリングタイムの増加
3.3. MTBFの最適化 x
3.3.1. 同期レジスターチェーン長
3.4. メタスタビリティーの影響の軽減 x
3.4.1. タイミング・アナライザーに向けた完全なシステム中心のタイミング制約の適用 3.4.2. 同期レジスター識別の強制 3.4.3. シンクロナイザーにおけるデータ・トグル・レートの設定 3.4.4. フィット時のメタスタビリティー最適化 3.4.5. シンクロナイザーを長くすることによる保護および最適化 3.4.6. シンクロナイザーで使用するステージ数の増加 3.4.7. より高速なスピードグレードのデバイスの選択
3.5. スクリプティングのサポート x
3.5.1. メタスタビリティー解析に向けたシンクロナイザーの特定 3.5.2. MTBF計算におけるシンクロナイザーのデータ・トグル・レート 3.5.3. report_metastabilityとTclコマンド 3.5.4. MTBFの最適化 3.5.5. 同期レジスターチェーン長
1. 推奨されるHDLコーディング・スタイル
2. 推奨されるデザイン手法
3. インテル® Quartus® Prime開発ソフトウェアによるメタスタビリティーの管理
4. インテル® Quartus® Prime プロ・エディションのユーザーガイド: デザインの推奨事項のアーカイブ
A. インテル® Quartus® Prime プロ・エディションのユーザーガイド

2.3.1.2. 非同期リセットの使用

非同期リセットは、回路設計において最も一般的で、実装が最も簡単なリセットの形式です。通常は、非同期リセットをデバイスに挿入し、グローバルバッファーをオンにして、デバイス内の各レジスターの非同期リセットピンに接続します。

この方法は特定の状況でのみ有利になります。レジスターを常にリセットする必要はありません。同期リセットとは異なり、非同期リセットはデータパスに挿入されず、レジスター間のデータ到着時間に悪影響をおよぼしません。リセットはすぐに有効になり、レジスターでリセットパルスを受信すると、レジスターはすぐにリセットされます。非同期リセットはクロックに依存しません。

ただし、リセットがデアサートされ、リカバリー時間 (µtSU) またはリムーバル時間 (µtH) のチェック (タイミング・アナライザーのリカバリーおよびリムーバル解析では両方の時間を確認します) に合格しない場合、エッジはメタスタビリティー・ゾーンに入っていると考えられます。正しい状態を決定するには追加時間が必要になりますが、この遅延が原因でセットアップ時間がダウンストリームのレジスターで不合格となり、システム障害が発生する可能性があります。これを回避するには、非同期リセットを備えるレジスターの後にいくつかの追従レジスターを追加し、これらのレジスターの出力をデザインで使用します。追従レジスターを使用してデータをクロックに同期し、メタスタビリティーの問題を取り除きます。これらのレジスターはデバイス内で相互に近付けて配置し、配線遅延を最小限に抑える必要があります。これにより、データ到着時間が短縮し、MTBFが大きくなります。この追従レジスター自体はリセットするのではなく、現在の状態または初期の状態を「フラッシュアウト」することにより、数クロックサイクルの期間で初期化されるようにします。

図 21. 追従レジスターを備える非同期リセット

次の例では、同等のVerilog HDLコードを示しています。リセットのアクティブエッジがプロシージャー・ブロックのセンシティビティー・リストにあり、追従レジスターのクロックイネーブルが推論されます。また、リセット信号の逆数がクロックイネーブルに結び付けられています。示されているように、追従レジスターはノンブロッキング割り当てを使用して異なるプロシージャー・ブロックに含める必要があります。

追従レジスターを備える非同期リセットに対応するVerilog HDLコード

module async_reset (
        input   clock,
        input   reset_n,
        input   data_a,
        output   out_a,
        );
reg     reg1, reg2, reg3;
assign  out_a  = reg3;
always @ (posedge clock, negedge reset_n)
begin
    if (!reset_n)
        reg1    <= 1’b0;
    else
        reg1    <= data_a;
end
always @ (posedge clock)
begin
    reg2    <= reg1;
    reg3    <= reg2;
end
endmodule  //  async_reset

非同期リセットは簡単に制約することができます。定義に基づくと、非同期リセットはリセットするレジスターのクロックドメインと非決定的な関係にあります。よって、これらのリセットのスタティック・タイミング解析は不可能です。set_false_path コマンドを使用して、このパスをタイミング解析から除外することができます。レジスターにおけるクロックに対するリセットの関係は不明なため、このパスに対してタイミング・アナライザーのリカバリーおよびリムーバル解析を実行することはできません。フォルスパス・ステートメントなしで解析を試みても、リカバリーとリムーバルにパスは報告されません。

非同期リセットに向けたSDC制約

# Input clock - 100 MHz
create_clock [get_ports {clock}] \
        -name {clock} \
        -period 10.0 \
        -waveform {0.0 5.0}
# Input constraints on data
set_input_delay 7.0 \
        -max \
        -clock [get_clocks {clock}]\
        [get_ports {data_a}]
set_input_delay 1.0 \
        -min \
        -clock [get_clocks {clock}] \
        [get_ports {data_a}]
# Cut the asynchronous reset input
set_false_path \
        -from [get_ports {reset_n}] \
        -to [all_registers]

非同期リセットはノイズの影響を受けやすく、ノイズの多い非同期リセットは意図しないリセットを引き起こす可能性があります。非同期リセットがデバウンスおよびフィルタリングされていることを確認します。リセットは非同期で簡単に開始することができますが、非同期でリセットを解除すると、潜在的なメタスタビリティーの問題が発生する可能性があります (「リセットのリムーバル」とも呼ばれます)。これには、フィードバックを備える同期回路で望ましくない状況に陥る危険性などがあります。

レベル 2 の表題