AN 763: インテル® Arria® 10 SoCデバイスのデザイン・ガイドライン

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ID 683192
日付 8/14/2020
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ドキュメント目次
ドキュメント目次 x
1. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのデザイン・ガイドラインの概要 2. インテル® Arria® 10 HPSとFPGAのインターコネクト接続に関するガイドライン 3. Arria 10 SoC FPGAのHPS部分に関するデザイン・ガイドライン 4. Arria 10 SoC FPGAのボード・デザイン・ガイドライン 5. Arria 10 SoC FPGAに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン
1. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのデザイン・ガイドラインの概要 x
1.1. SoC FPGAの設計者に向けたチェックリスト 1.2. SoC FPGAデザインに向けたHPSのデザイン・ガイドラインの概要 1.3. SoC FPGAデザインに向けたボード・デザイン・ガイドラインの概要 1.4. SoC FPGAデザインに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドラインの概要 1.5. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのデザイン・ガイドラインの概要の改訂履歴
2. インテル® Arria® 10 HPSとFPGAのインターコネクト接続に関するガイドライン x
2.1. HPSメモリーマップド・インターフェイスの概要 2.2. 推奨されるシステムトポロジー 2.3. インテル® Arria® 10 HPSとFPGAのインターコネクト接続に関するガイドラインの改訂履歴
2.1. HPSメモリーマップド・インターフェイスの概要 x
2.1.1. HPS-to-FPGAブリッジ 2.1.2. Lightweight HPS-to-FPGAブリッジ 2.1.3. FPGA-to-HPSブリッジ 2.1.4. FPGA-to-SDRAMポート 2.1.5. インターフェイスの帯域幅
2.2. 推奨されるシステムトポロジー x
2.2.1. FPGAファブリックへのHPSのアクセス 2.2.2. キャッシュ・コヒーレンシーの維持 2.2.3. FPGAとデータを共有するMPU 2.2.4. FPGAからのキャッシュ可能およびキャッシュ不可能なデータアクセスの例
2.2.2. キャッシュ・コヒーレンシーの維持 x
2.2.2.1. ACPに関連するロックアップの回避
2.2.4. FPGAからのキャッシュ可能およびキャッシュ不可能なデータアクセスの例 x
2.2.4.1. 例1: FPGAでHPS SDRAMから直接データを読み出す 2.2.4.2. 例 2: FPGAでHPS SDRAMにデータを直接書き込む 2.2.4.3. 例3: FPGAでキャッシュ・コヒーレンシーなデータをHPSから読み取る 2.2.4.4. 例4: FPGAでキャッシュ・コヒーレントなデータをHPSに書き込む
3. Arria 10 SoC FPGAのHPS部分に関するデザイン・ガイドライン x
3.1. SoC FPGAデザインの開始 3.2. デバイスのI/OをHPSペリフェラルおよびメモリーに接続するためのデザインにおける考慮事項 3.3. HPSのクロックおよびリセットに関するデザインの考慮事項 3.4. HPS EMIFに関するデザインの考慮事項 3.5. DMAに関する考慮事項 3.6. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのHPS部分に関するデザイン・ガイドラインの改訂履歴
3.1. SoC FPGAデザインの開始 x
3.1.1. HPS-to-FPGAインターフェイスのデザインに推奨される開始点 3.1.2. SoC FPGAトポロジーの決定
3.2. デバイスのI/OをHPSペリフェラルおよびメモリーに接続するためのデザインにおける考慮事項 x
3.2.1. HPSピンの多重化に関するデザインの考慮事項 3.2.2. HPS I/Oの設定: 制約とドライブ強度
3.3. HPSのクロックおよびリセットに関するデザインの考慮事項 x
3.3.1. HPSのクロックのプランニング 3.3.2. 早期のピン・プランニングとI/O割り当ての解析 3.3.3. HPSのクロック、リセット、PoRのピンの機能と接続 3.3.4. 内部クロック 3.3.5. FPGAのリコンフィグレーションおよびFPGAのコンフィグレーション失敗時におけるHPSのリセット 3.3.6. HPSペリフェラルのリセット管理
3.4. HPS EMIFに関するデザインの考慮事項 x
3.4.1. HPSをSDRAMに接続するための考慮事項 3.4.2. HPS SDRAM I/Oの位置 3.4.3. Arria 10 HPS EMIFとSoC FPGAデバイスの統合 3.4.4. HPSメモリーのデバッグ
3.4.2. HPS SDRAM I/Oの位置 x
3.4.2.1. I/Oバンク2K、レーン0、1、2 (Addr/Cmd) 3.4.2.2. I/Oバンク2K、レーン3 (ECC) 3.4.2.3. I/Oバンク、2J (データ) 3.4.2.4. I/Oバンク、2I (データ、64、72ビット・インターフェイス)
3.5. DMAに関する考慮事項 x
3.5.1. DMAコントローラーの選択 3.5.2. HPSインターコネクトによるDMAマスターの帯域幅の最適化
4. Arria 10 SoC FPGAのボード・デザイン・ガイドライン x
4.1. オンボード電源の立ち上げとブートROM/ブートローダーのデバッグ 4.2. FPGAのリコンフィグレーション 4.3. HPSの消費電力に関するデザインの考慮事項 4.4. HPSのバウンダリー・スキャン 4.5. HPSインターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.6. 未使用HPSブロックの接続ガイドライン 4.7. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのボード・デザイン・ガイドラインの改訂履歴
4.2. FPGAのリコンフィグレーション x
4.2.1. HPSのリブートによるフラッシュ・アップデート 4.2.2. SoC FPGAのパーシャル・リコンフィグレーション
4.3. HPSの消費電力に関するデザインの考慮事項 x
4.3.1. システムおよびボードの早期プランニング 4.3.2. SoC FPGAデバイスにおけるHPSおよびFPGAの電源に関するデザインの考慮事項 4.3.3. ボードデザインにおけるピンの接続に関する考慮事項 4.3.4. 消費電力の解析 4.3.5. 消費電力の最適化
4.3.1. システムおよびボードの早期プランニング x
4.3.1.1. 早期消費電力見積もり
4.3.1.1. 早期消費電力見積もり x
4.3.1.1.1. Mainワークシート 4.3.1.1.2. IOワークシート 4.3.1.1.3. IO-IPワークシート 4.3.1.1.4. HPSワークシート
4.3.2. SoC FPGAデバイスにおけるHPSおよびFPGAの電源に関するデザインの考慮事項 x
4.3.2.1. デバイスの消費電力とHPS性能の検討 4.3.2.2. 必要なHPSブートクロック周波数の検討
4.3.3. ボードデザインにおけるピンの接続に関する考慮事項 x
4.3.3.1. デバイスの電源投入 4.3.3.2. 電源ピンの接続と電源
4.3.5. 消費電力の最適化 x
4.3.5.1. プロセッサーとメモリーのクロックスピード 4.3.5.2. MPUのスタンバイモードとダイナミック・クロック・ゲーティング 4.3.5.3. ペリフェラルにおける電源管理 4.3.5.4. 電源を切断することによる電源管理
4.5. HPSインターフェイスのデザイン・ガイドライン x
4.5.1. HPS EMAC PHYインターフェイス 4.5.2. USBインターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.5.3. QSPIフラッシュ・インターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.5.4. SD/MMCおよびeMMCカード・インターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.5.5. QSPIおよびSD/MMC/eMMCへのフラッシュ・メモリー・リセットの提供 4.5.6. NANDフラッシュ・インターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.5.7. UARTインターフェイスのデザイン・ガイドライン 4.5.8. I2Cインターフェイスのデザイン・ガイドライン
4.5.1. HPS EMAC PHYインターフェイス x
4.5.1.1. 共有I/Oを介して接続されるPHYインターフェイス 4.5.1.2. FPGA I/Oを介して接続されるPHYインターフェイス 4.5.1.3. MDIO 4.5.1.4. PHYインターフェイスに関するデザイン上の一般的な考慮事項
4.5.1.1. 共有I/Oを介して接続されるPHYインターフェイス x
4.5.1.1.1. RMII インターフェイスのクロックスキーム I/Oピンのタイミング 4.5.1.1.2. RGMII
4.5.1.2. FPGA I/Oを介して接続されるPHYインターフェイス x
4.5.1.2.1. GMII/MII 4.5.1.2.2. RMIIへの適合 4.5.1.2.3. SGMIIへの適合
4.5.1.4. PHYインターフェイスに関するデザイン上の一般的な考慮事項 x
4.5.1.4.1. シグナル・インテグリティー
5. Arria 10 SoC FPGAに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン x
5.1. HPSに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン 5.2. サポートと関連資料 5.3. インテル® Arria® 10 SoC FPGAに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン改訂履歴
5.1. HPSに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン x
5.1.1. 目的 5.1.2. ソフトウェア開発プラットフォームのコンポーネントの構築 5.1.3. アプリケーションに向けたオペレーティング・システムの選択 5.1.4. Linuxに向けたソフトウェア開発プラットフォームの構築 5.1.5. ベアメタル・アプリケーションに向けたソフトウェア開発プラットフォームの構築 5.1.6. パートナーOSまたはRTOSに向けたソフトウェア開発プラットフォームの構築 5.1.7. ブート・ローダー・ソフトウェアの選択 5.1.8. 開発、デバッグおよびトレースに向けたソフトウェア・ツールの選択 5.1.9. ボードの立ち上げに関する考慮事項 5.1.10. ブートおよびコンフィグレーションに関するデザインの考慮事項 5.1.11. フラッシュ・デバイス・ドライバーに関するデザインの考慮事項 5.1.12. HPS ECCに関するデザインの考慮事項 5.1.13. セキュリティーに関するデザインの考慮事項 5.1.14. エンベデッド・ソフトウェアのデバッグとトレース
5.1.2. ソフトウェア開発プラットフォームのコンポーネントの構築 x
5.1.2.1. ゴールデン・ハードウェア・リファレンス・デザイン (GHRD)
5.1.3. アプリケーションに向けたオペレーティング・システムの選択 x
5.1.3.1. LinuxまたはRTOSの使用 5.1.3.2. ベアメタル・アプリケーションの開発 5.1.3.3. ベアメタル・フレームワークとしてのブートローダーの使用 5.1.3.4. 対称型および非対称型マルチプロセッシング・モード (SMPおよびAMP)
5.1.4. Linuxに向けたソフトウェア開発プラットフォームの構築 x
5.1.4.1. Linux向けゴールデン・システム・リファレンス・デザイン (GSRD) 5.1.4.2. Linux向けGSRDのビルドフロー 5.1.4.3. ソースコード管理における考慮事項 5.1.4.4. Linuxのデバイスツリーに関するデザインの考慮事項
5.1.8. 開発、デバッグおよびトレースに向けたソフトウェア・ツールの選択 x
5.1.8.1. ソフトウェア・ビルド・ツールの選択 5.1.8.2. ソフトウェア・デバッグ・ツールの選択 5.1.8.3. ソフトウェア・トレース・ツールの選択
5.1.9. ボードの立ち上げに関する考慮事項 x
5.1.9.1. SDRAM初期化の計画
5.1.10. ブートおよびコンフィグレーションに関するデザインの考慮事項 x
5.1.10.1. ブートにおけるデザインの考慮事項 5.1.10.2. コンフィグレーション
5.1.10.1. ブートにおけるデザインの考慮事項 x
5.1.10.1.1. ブートソース 5.1.10.1.2. 必要なフラッシュデバイスの選択 5.1.10.1.3. BSELのオプション 5.1.10.1.4. ブートクロック 5.1.10.1.5. ブートヒューズの使用方法の決定 5.1.10.1.6. CSELのオプション 5.1.10.1.7. フラッシュのプログラミング方法の決定 5.1.10.1.8. NANDフラッシュデバイスの選択 5.1.10.1.9. QSPIフラッシュデバイスの選択 5.1.10.1.10. 参考資料
5.1.10.2. コンフィグレーション x
5.1.10.2.1. 従来のコンフィグレーション 5.1.10.2.2. HPSで開始するコンフィグレーション
5.1.12. HPS ECCに関するデザインの考慮事項 x
5.1.12.1. ECCに関する一般的なデザインの考慮事項 5.1.12.2. 外部SDRAMインターフェイスのECC 5.1.12.3. L2キャッシュ・データ・メモリーのECC 5.1.12.4. フラッシュメモリーのECC
5.2. サポートと関連資料 x
5.2.1. サポート 5.2.2. ハードウェアの関連資料 5.2.3. ソフトウェアの関連資料
5.2.3. ソフトウェアの関連資料 x
5.2.3.1. インテル® Arria® 10 SoC開発キット向けビルド済みブートローダー例
1. インテル® Arria® 10 SoC FPGAのデザイン・ガイドラインの概要
2. インテル® Arria® 10 HPSとFPGAのインターコネクト接続に関するガイドライン
3. Arria 10 SoC FPGAのHPS部分に関するデザイン・ガイドライン
4. Arria 10 SoC FPGAのボード・デザイン・ガイドライン
5. Arria 10 SoC FPGAに向けたエンベデッド・ソフトウェアのデザイン・ガイドライン

4.5.1.1.1. RMII

RMIIは、システムに同期する50MHzの単一中央クロックソース (REF_CLK) をすべてのポートの送信パスおよび受信パスに使用します。これにより、各ポートのTX_CLKとRX_CLKのソース・シンクロナスのクロックペアではなく、単一のボード・オシレーターをデザインで使用できるため、ポート密度が高いシステムにおいてシステムのクロックが簡素化され、ピン数が低減します。

RMIIは、2ビット幅の送信データパスと受信データパスを使用します。データおよび制御信号はすべて、REF_CLKの立ち上がりエッジに同期しています。RX_ER制御信号は使用されません。10Mbpsモードでは、データおよび制御信号はすべて、REF_CLKクロックの10サイクルの間有効に保たれます。

図 9. RMII MAC/PHYインターフェイス

インターフェイスのクロックスキーム

EMACおよびRMII PHYは、50MHzのREF_CLKのソースを提供することができます。HPS_CLK1入力などの既存のクロックソースを使用し、内部PLLでシステムのクロックデザインをさらに簡素化させて、クロックソースを追加する必要性をなくします。

この章では、HPS EMACまたはPHYをソースとするREF_CLKに関するシステムのデザインシナリオを説明します。

ガイドライン: アプリケーションのREF_CLKのソース選択に関する詳細は、PHYデータシートを確認してください。

選択したPHYがアプリケーションのREF_CLKのクロックスキームをサポートしていることを確認してください。PHYのデータシートで指定されている要件および考慮事項に注意してください。

REF_CLKのソースには、次の2つの方法のいずれかを使用することができます。
  • HPSをソースとするREF_CLK
  • PHYをソースとするREF_CLK
図 10. HPSをソースとするREF_CLKこのスキームでは、EMACのHPS RMII I/O TX_CLK出力を、HPS RMII I/O RX_CLK入力およびPHY REF_CLK入力に接続します。
図 11. PHYをソースとするREF_CLKこのスキームでは、PHYのREF_CLK出力をEMACのHPS RMII I/O RX_CLK入力に接続します。EMACのHPS RMII I/O TX_CLK出力は未接続にします。TX_CLKは常に、RMIIのHPS EMAC I/O信号セットの一部であり、使用していない場合でも、追加の共有I/Oとして利用可能にすることはできません。REF_CLKのソースを提供できるPHYは通常、ピン・ブートストラップを介してそのようにコンフィグレーションされ、REF_CLKを生成するための外部水晶またはクロック入力を必要とします。

I/Oピンのタイミング

HPS EMACとPHY間のREF_CLKソースからREF_CLK入力ピンのルーティング遅延の差を考慮してください。

RX_CLKがデイジーチェーンでソースからMACそしてPHY、またはソースからPHYにルーティングされる場合、フライト時間の差を考慮する必要があります。これらのREF_CLKのロードでは、クロックの到達時間が異なります。

ガイドライン: データと制御信号のルーティング遅延とスキューを考慮し、HPS SoCデバイスのデータシートおよびPHYのデータシートで指定されているセットアップとホールドを満たします。

信号長が24インチを超えない限り、信号長の一致は必要ありません。24インチを超える場合は、クロック遅延とデータ遅延において、基本的なタイミング解析を実行する必要があります。

周期は、50MHzのREF_CLKで20nsです。PHYが10Mbpsモードもしくは100Mbpsモードのいずれに設定されている場合でも、この周波数は変わりません。

HPS EMACのクロックはすべて、RX_CLKに基づいています。そのため、EMACまたはPHYのいずれかからのREF_CLKのTcoおよびPCBのフライト時間は無視することができます。12インチまでの一般的なボードトレースで生じるフライト時間はわずか2nsであり、RXDのTsuとRX_CLK間は最小4nsであるため、20nsの期間をはるかに下回ります。

RXDとRX_CLK間には、2nsのホールド要件があります。RX_CLKに対するTXDのTcoは、MACまたはPHYのいずれの場合でも通常2nsを超えるため、これも簡単に満たすことができます。 インテル® Arria® 10 SoCデバイスの場合、RX_CLKに対するTXDのTcoは7nsから10nsです。

ガイドライン: REF_CLKのソースがデューティー・サイクル要件を満たしていることを確認します。

REF_CLKにジッター仕様はありませんが、35%から65%のデューティー・サイクル要件があります。この要件は、 インテル® Arria® 10のPLLおよび、GPIOのクロック出力、つまり、HPS IPからのTX_CLK信号のクロック出力によって満たします。

レベル 2 の表題