...

6. 推奨される HDL コーディング構文

by user

on
Category: Documents
10

views

Report

Comments

Transcript

6. 推奨される HDL コーディング構文
6. 推奨される HDL
コーディング構文
この資料は英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。こちらの日本語版は参考用としてご利用
ください。設計の際には、最新の英語版で内容をご確認ください。
QII51007-6.0.0
はじめに
HDL コーディング・スタイルは、プログラマブル・ロジック・デザイン
で得られる結果の品質に大きく影響する場合があります。
合成ツールは、
ロジック利用率とパフォーマンスの両面で HDL コードを最適化します。
ただし、場合によっては、最適化を最大限に実行するために人間による
デザインの理解が要求されたり、合成ツールにデザインの目的や意図に
ついての情報がまったく与えられないこともあります。最適化において
結果の品質を改善できる機会は、数多くあります。
この章では、アルテラのデバイスをターゲットとしたときに、最適な合
成結果を得るための HDL コーディング・スタイルの推奨事項について
説明します。以下の項から構成されます。
■
アルテラのメガファンクション
HDL コードでのアルテラ・メガファンクションのインスタンス化
HDL コードからのアルテラ・メガファンクションの推測
■ デバイス固有のコーディング・ガイドライン
■ その他のロジック構造のコーディング・ガイドライン
■
■
デザインの構造化のガイドラインについて詳しくは、
「Quartus II ハンド
ブック Volume 1」の「Design Recommendations for Altera Devices」の
章を参照してください。
スタイルの推奨事項、オプション、または合成ツール(Quartus® II 合成
機能とその他のサードパーティ EDA ツールを含む)に固有の HDL 属性
については、ツール・ベンダのマニュアル、または「Quartus II ハンド
ブック Volume 1」の「合成」セクションの該当する章を参照してくださ
い。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–1
Quartus II ハンドブック Volume 1
アルテラの
メガファンク
ションの使用
アルテラでは、アルテラ・デバイスのアーキテクチャ用に最適化された、
パラメータ化されたメガファンクションを提供しています。独自のロ
ジック・コーディングの代わりにメガファンクションを使用することで、
貴重なデザイン時間が節約できます。さらに、アルテラが提供するメガ
ファンクションを使用すると、より効率的にロジック合成とデバイス実
装を行うことができます。メガファンクションのサイズをスケーリング
したり、またパラメータを設定することによって各種オプションを設定
できます。メガファンクションには、パラメータ化されたモジュールの
ライブラリ(LPM)とアルテラ・デバイス固有のメガファンクションが
あります。
メモリ、DSP ブロック、LVDS デバイス、PLL(phase-locked
loops)、トランシーバ、ダブル・データ・レート入力 / 出力
(DDIO)回路などの、アルテラ・デバイス固有の一部の機能にア
クセスする場合、メガファンクションを使用する必要があります。
HDL コードでメガファンクションを使用するには、6–3 ページの「HDL
コードでのアルテラ・メガファンクションの インスタンス化」で説明す
るようにインスタンス化します。デバイス・ファミリまたはベンダに依
存しない独自のコードを作成する方が望ましい場合や、メガファンク
ションを直接インスタンス化したくない場合があります。メガファンク
ションのインスタンス化を希望しない場合は、6–6 ページの「HDL コー
ド からの アルテラ・メガファンクションの推測」のガイドラインおよび
コーディング例に従い、汎用 HDL コードで適切なアルテラ・メガファ
ンクションが推測されるようにします。
一部のデザインでは、メガファンクションをインスタンス化するより、
汎用 HDL コードを使用した方が良い結果が得られることがあります。標
準 HDL コードを使用する場合とメガファンクションを使用する場合を
説明した、以下の一般的なガイドラインと例を参照してください。
■
簡単な加算または減算ファンクションについては、LPM ファンクショ
ンではなく + または - シンボルを使用してください。簡単な算術演
算に対して LPM ファンクションをインスタンス化した場合は、ファ
ンクションがハードコードされ、合成アルゴリズムが基本的なロジッ
ク最適化を活用できなくなるため、効率の高い結果が得られないこ
とがあります。同期ローダブル・カウンタなどの複雑な算術ロジッ
クの場合は、LPM ファンクションを使用すると、HDL コードからは
推測が困難なアーキテクチャ固有の詳細な機能にアクセスできます。
■ 簡単なマルチプレクサおよびデコーダの場合、LPM
ファンクション
の代わりにアレイ表記法(out = data[sel] など)を使用してく
ださい。アレイ表記法は非常に有効に機能し構文も簡単です。APEX™
シリーズ・デバイスのカスケード・チェインなどのアーキテクチャ
機能を活用するには LPM_MUX ファンクションを使用できますが、こ
6–2
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コードでのアルテラ・メガファンクションの インスタンス化
の LPM ファンクションは、特定の実装を強制する場合にのみ使用し
てください。
■ 可能であれば、除算演算は避けてください。除算は本質的に低速な
演算です。設計者の多くは乗算を工夫して、除算結果を得ています。
除算が必要な場合は、LPM_DIVIDE ファンクションを使用すると可
能な最良の結果が得られます。
HDL コードで
のアルテラ・
メガファンク
ションの
インスタンス
化
以下の項では、HDL コードのメガファンクションを以下の方法でインス
タンス化して使用する方法を説明します。
MegaWizard® Plug-In Manager を使用したメガファンクションのイ
ンスタンス化 —MegaWizard Plug-In Manager を使用すると、ファン
クションをパラメータ化し、ラッパ・ファイルを作成できます。
■ サードパーティ合成ツール用クリア・ボックス・ネットリスト・ファ
イルの作成 — オプションで、ラッパ・ファイルの代わりにクリア・
ボックス・ボディを作成することができます。
■ ポート & パラメータ定義を使用したメガファンクションのインスタン
ス化—HDLコードで直接ファンクションをインスタンス化できます。
■
MegaWizard Plug-In Managerを使用したメガファンクショ
ンのインスタンス化
HDL コードでインスタンス化できるメガファンクションを Quartus II
GUI で 作成 する には、こ の項 の説 明に 従っ て MegaWizard Plug-In
Manager を使用します。MegaWizard Plug-In Manager は、メガファン
クションをカスタマイズおよびパラメータ化するためのグラフィカル・
ユーザ・インタフェースを提供し、すべてのメガファンクション・パラ
メータを正しく設定できるようにします。パラメータの設定が終了した
ら、生 成 す る フ ァ イ ル を 指 定 で き ま す。選 択 し た 言 語 に 応 じ て、
MegaWizard Plug-In Manager は正しいパラメータでメガファンクショ
ンをインスタンス化し、以下のファイル・セットのいずれかを生成しま
す。
■
AHDL テキスト・デザイン・ファイル(.tdf)ラッパ・ファイルおよ
びサンプルのインスタンス・テンプレートText Design File
(_inst.tdf)
。
■ Verilog HDL(.v)ラッパ・ファイル、サンプルのインスタンス・テ
ンプレート Verilog HDL ファイル(_inst.v)、およびブラック・ボッ
クス Verilog HDL モジュール宣言。
■ VHDL(.vhd)ラッパ・ファイルおよびサンプルのインスタンス・テ
ンプレート VHDL ファイル(_inst.vhd)
。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–3
Quartus II ハンドブック Volume 1
デザイン内のメガファンクション・ラッパ・ファイルは、対応するサン
プルのインスタンス・ファイルを使用してインスタンス化できます。ま
た、MegaWizard Plug-In Manager はデフォルトで、以下のデフォルト・
ファイルも作成します。
■
VHDL デザイン・ファイルで使用できるコンポーネント宣言ファイ
ル(.cmp)
■ テキスト・デザイン・ファイル(.tdf)で、または Verilog HDL デザ
イン・ファイルの参照用として使用できる ADHL インクルード・ファ
イル(.inc)
MegaWizard Plug-In Manager で生成されるファイルのリストと説明に
ついては、表 6–1 を参照してください。
表 6–1. MegaWizard Plug-In Manager 生成のファイル ( 1 / 2)
ファイル
< 出力ファイル >.bsf
説明
ブロック・シンボル・ファイル —Quartus II ブロック・デザイン・ファイル
(.bdf)で使用されます。
< 出力ファイル >.cmp
コンポーネント宣言ファイル —VHDL デザインで使用されます。
< 出力ファイル >.inc
ADHL インクルード・ファイル —AHDL デザインで使用されます。
< 出力ファイル >.tdf(1)
AHDL ラッパ・ファイル —AHDL デザインでインスタンス化するためのメガファ
ンクション・ラッパ・ファイル
< 出力ファイル >.vhd(2)(4)
VHDL ラッパ・ファイル —VHDL デザインのインスタンス化のためのメガファ
ンクション・ラッパ・ファイル、またはクリア・ボックス・ネットリスト・
ファイル。
< 出力ファイル >.v(3)(4)
Verilog HDL ラッパ・ファイル —Verilog HDL デザインのインスタンス化のため
のメガファンクション・ラッパ・ファイル、またはクリア・ボックス・
ネットリスト・ファイル。
< 出力ファイル >_bb.v(3)
ブラック・ボックス Verilog HDL モジュール宣言 — サードパーティ合成ツール
でブラック・ボックスを作成する場合、ポートの方向を指定するために Verilog
HDL デザインで使用される中空モジュール宣言。
< 出力ファイル >_inst.tdf(1) テキスト・デザイン・ファイル・インスタンス・テンプレート — メガファンク
ション・ラッパ・ファイルにあるサブデザインのサンプル AHDL インスタンス。
<出力ファイル>_inst.vhd(2) VHDL インスタンス・テンプレート — メガファンクション・ラッパ・ファイル
にあるエンティティのサンプル VHDL インスタンス。
6–4
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コードでのアルテラ・メガファンクションの インスタンス化
表 6–1. MegaWizard Plug-In Manager 生成のファイル ( 2 / 2)
ファイル
< 出力ファイル >_inst.v(3)
説明
Verilog HDL インスタンス・テンプレート — メガファンクション・ラッパ・
ファイルにあるモジュールのサンプル Verilog HDL インスタンス。
表 6–1 の注 :
(1) MegaWizard Plug-In Manager は、AHDL 出力ファイルを選択した場合にのみこのファイルを生成します。
(2) MegaWizard Plug-In Manager は、VHDL 出力ファイルを選択した場合にのみこのファイルを生成します。
(3) MegaWizard Plug-In Manager は、Verilog HDL 出力ファイルを選択した場合にのみこのファイルを生成
します。
(4) メガファンクション・ラッパ・ファイルは、ほとんどのメガファンクションに対してデフォルトで作成さ
れます。クリア・ボックスの機能を活用するには、Tools メニューで MegaWizard Plug-In Manager をク
リックし、Generate clear box netlist file instead of a default wrapper file (for use with supported EDA
synthesis tools only) をオンにします。MegaWizard Plug-In Manager の使用方法について詳しくは、
Quartus II ヘルプを参照してください。
サードパーティ合成ツール用クリア・ボックス・ネットリスト・
ファイルの作成
サードパーティ合成ツールで特定のメガファンクションを使用する場
合、オプションでラッパ・ファイルの代わりにクリア・ボックス・ボディ
を作成できます。クリア・ボックス・ボディは完全に合成されたメガファ
ンクションで、特定のサードパーティ EDA 合成ツールで使用できます。
メガファンクション・クリア・ボックス・ボディを含むネットリスト・
ファイルは、サードパーティ合成ツール向けに、Quartus II ソフトウェ
アで使用されるアーキテクチャ上の詳細情報を提供します。特定の合成
ツールはこの情報を利用することで、タイミングおよびリソース利用率
の予測をより正しく報告できます。また、合成ツールはタイミング情報
を使用して、タイミング・ドリブン最適化に集中できます、また結果の
品質を向上させることができます。
合成ツールでのクリア・ボックスのサポートについて詳しくは、ツール・
ベンダのマニュアル、または「Quartus II ハンドブック Volume 1」の
「合成」セクションの該当する章を参照してください。
クリア・ボックス・ネットリストを生成するには、MegaWizard Plug-In
Manager のメガファンクション選択ページ 2a で、Generate clear box
netlist file instead of a default wrapper file (for use with supported
EDA synthesis tools only) をオンにします。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–5
Quartus II ハンドブック Volume 1
すべてのメガファンクションがクリア・ボックス・ネットリスト
をサポートしているわけではありません。特定のメガファンク
ションに対してクリア・ボックス・ネットリストを作成できない
場合、MegaWizard Plug-In Manager のページ 2a にはネットリス
トの生成オプションが表示されません。常にクリア・ボックス・
ネットリスト・ファイルを使用するメガファンクションもあり、
その場合はページ2aのオプションをオフにすることはできません。
ポートおよびパラメータ定義を使用したメガファンクショ
ンのインスタンス化
メガファンクションは、他のサブデザイン、モジュール、またはコンポー
ネントのように、メガファンクションを呼び出してパラメータを設定す
ることによって、AHDL、Verilog HDL、または VHDL コードで直接イ
ンスタンス化できます。
メガファンクションのポートとパラメータのリストについては、
Quartus II
ヘルプの該当するメガファンクションを参照してください。Quartus II
ヘルプには、VHDL コンポーネント宣言のサンプルと、各メガファンク
ションの AHDL ファンクションのプロトタイプも記載されています。
アルテラでは、PLL、トランシーバ、LVDS ドライバなどの複雑
なメガファンクションには、MegaWizard Plug-In Manager の使
用を推奨しています。MegaWizard Plug-In Manager の使用方法
について詳しくは、6–3 ページの「MegaWizard Plug-In Manager
を使用したメガファンクションのインスタンス化」を参照してく
ださい。
HDL コード
からの
アルテラ・
メガファンク
ションの推測
Quartus II 合成機能を含む合成ツールは、特定のタイプの HDL コード
を認識し、適切なメガファンクションを自動的に推測します。合成ツー
ルは、デザインをコンパイルするときには、特にメガファンクションを
インスタンス化しない場合でも、アルテラ・メガファンクション・コー
ドを使用します。合成ツールは、アルテラ・デバイスに最適化されたロ
ジックを利用するメガファンクションを推測します。このようなロジッ
クの面積と性能は、同じ HDL コードの汎用ロジックを推測して得られ
る結果よりも良好な場合があります。
以下の項では、標準合成ツールが認識し、メガファンクションにマップ
するロジックのタイプについて説明します。合成ソフトウェアは、ここ
に挙げる特定のファンクションのみ推測します。合成ソフトウェアは、
PLL、LVDS ドライバ、トランシーバ、DDIO 回路など、その他のファ
ンクションを HDL コードから推測することはできません。これらのファ
ンクションは HDL コードで完全に、あるいは効率的に説明できないた
めです。合成ツール・オプションを使用して、特定のメガファンクショ
6–6
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
ンの推測をオフにできるケースもあります。以下の項では、以下のメガ
ファンクションを汎用 HDL コードから推測する方法について説明して
います。
■
lpm_mult— 乗算器を HDL コードから推測
altmult_accum & altmult_add— 乗算累積器および乗算加算器を
HDL コードから推測
■ altsyncram & lpm_ram_dp—RAMファンクションを HDLコードか
ら推測
■ lpm_rom—ROM を HDL コードから推測
■ altshift_taps— シフト・レジスタを HDL コードから推測
■
合成ツールの機能とオプションについては、合成ツールのマニュアル、
または「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「合成」の項の該当する
章を参照してください。
lpm_mult— 乗算器を HDL コードから推測
乗算器ファクションを推測する場合、合成ツールは乗算器を検索し、
lpm_mult または altmult_add メガファンクションに変換します。あ
るいは乗算器デバイスの素子に直接マップすることもあります。DSP ブ
ロックを含むデバイスの場合、ソフトウェアはデバイスの利用状況に応
じて、ロ ジッ クの 代わ りに 乗算 を DSP ブ ロッ クに 実装 でき ます。
Quartus II フィッタは、入力および出力レジスタを DSP ブロックに配置
(すなわち、レジスタ・パッキングを実行)し、性能および面積利用率を
改善することもできます。
DSP ブロックと DSP ブロックが実装できるファンクションについて詳
しくは、該当するアルテラ・デバイス・ファミリのハンドブックと、ア
ルテラ Web サイト www.altera.com の DSP ソリューション・センタを
参照してください。
以下の 4 つのコード・サンプルに、合成ツールが lpm_mult または
altmult_add メガファンクションとして推測できる符号なしおよび符
号付き乗算器の Verilog HDL と VHDL の例を示します。それぞれの例
は、1 つの DSP ブロックの 9 ビット・エレメントにフィットします。ま
た、レジスタ・パッキングが実行されると、レジスタ用の特別なロジッ
ク・セルが不要になります。
Verilog HDL での符号付き宣言は、Verilog 2001 規格の 1 つの機
能です。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–7
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–1. 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
例 6–2. 入力および出力レジスタを備えた Verilog HDL 符号付き乗算器(パイプライン化 = 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
6–8
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–3. 入力および出力レジスタを備えた VHDL 符号なし乗算器(パイプライン化 = 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 (clk'event AND clk = '1') THEN
a_reg <= a;
b_reg <= b;
result <= a_reg * b_reg;
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
例 6–4. VHDL 符号付き乗算器
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
SIGNAL a_int, b_int: SIGNED (7 downto 0);
SIGNAL pdt_int: SIGNED (15 downto 0);
BEGIN
a_int <= (a);
b_int <= (b);
pdt_int <= a_int * b_int;
result <= pdt_int;
END rtl;
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–9
Quartus II ハンドブック Volume 1
altmult_accum & altmult_add— 乗算累積器および乗算加
算器を HDL コードから推測
合 成 ツ ー ル は、乗 算 累 積 器 ま た は 乗 算 加 算 器 を 検 出 し、そ れ ぞ れ
altmult_accum または altmult_add メガファンクションに変換しま
す。この後 Quartus II ソフトウェアは、配置配線中にこれらのファンク
ションを DSP ブロックに配置します。
合成ツールが乗算累積器と乗算加算器のファンクションを推測す
るのは、アルテラ・デバイス・ファミリが専用 DSP ブロックを
搭載している場合のみです。
乗算累積器は、加算器と乗算器から構成されます。加算器の出力は後段
のレジスタに供給され、そのレジスタ出力が加算器の入力となります。
乗算加算器は、1 レベルまたは 2 レベルの加算、減算、または加算 / 減
算演算子に供給する 2 ∼ 4 個の乗算器から構成されます。加算が使用さ
れる場合には、常に第 2 レベルの演算子になります。Quartus II フィッ
タは、乗算累積器と乗算加算器に加えて、入力および出力レジスタを
DSP ブロックに配置してレジスタをパックし、性能および面積利用率を
改善します。
例 6–5 から 6–8 に示す Verilog HDL と VHDL コードのサンプルでは、乗
算累積器と乗算加算器を推測しています。
6–10
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–5. 入力、出力、およびパイプライン・レジスタを備えた Verilog HDL 符号なし乗算累積器
(レイテンシ = 3)
module unsig_altmult_accum (dataout, dataa, datab, clk, aclr, clken);
input [7:0] dataa;
input [7:0] datab;
input clk;
input aclr;
input clken;
output [31:0] dataout;
reg [31:0] dataout;
reg [7:0] dataa_reg;
reg [7:0] datab_reg;
reg [15:0] multa_reg;
wire [15:0] multa;
wire [31:0] adder_out;
assign multa = dataa_reg * datab_reg;
assign adder_out = multa_reg + dataout;
always @ (posedge clk or posedge aclr)
begin
if (aclr)
begin
dataa_reg <= 0;
datab_reg <= 0;
multa_reg <= 0;
dataout <= 0;
end
else if (clken)
begin
dataa_reg <= dataa;
datab_reg <= datab;
multa_reg <= multa;
dataout <= adder_out;
end
end
endmodule
例 6–6. Verilog HDL 符号付き乗算加算器(レイテンシ = 0)
module sig_altmult_add (dataa, datab, datac, datad, result);
input signed [15:0] dataa;
input signed [15:0] datab;
input signed [15:0] datac;
input signed [15:0] datad;
output [32:0] result;
wire signed [31:0] mult0_result;
wire signed [31:0] mult1_result;
assign mult0_result = dataa * datab;
assign mult1_result = datac * datad;
assign result = (mult0_result + mult1_result);
endmodule
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–11
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–7. 入力、出力、およびパイプライン・レジスタを備えた VHDL 符号なし乗算加算器
(レイテンシ = 3)
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.numeric_std.all;
ENTITY unsignedmult_add IS
PORT (
a: IN UNSIGNED (7 DOWNTO
b: IN UNSIGNED (7 DOWNTO
c: IN UNSIGNED (7 DOWNTO
d: IN UNSIGNED (7 DOWNTO
clk: IN STD_LOGIC;
aclr: IN STD_LOGIC;
result: OUT UNSIGNED (15
);
END unsignedmult_add;
0);
0);
0);
0);
DOWNTO 0)
ARCHITECTURE rtl OF unsignedmult_add IS
SIGNAL a_int, b_int, c_int, d_int: UNSIGNED (7 DOWNTO 0);
SIGNAL pdt_int, pdt2_int: UNSIGNED (15 DOWNTO 0);
SIGNAL result_int: UNSIGNED (15 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS (clk, aclr)
BEGIN
IF (aclr = '1') THEN
a_int <= (OTHERS => '0');
b_int <= (OTHERS => '0');
c_int <= (OTHERS => '0');
d_int <= (OTHERS => '0');
pdt_int <= (OTHERS => '0');
pdt2_int <= (OTHERS => '0');
result_int <= (OTHERS => '0');
ELSIF (clk'event AND clk = '1') THEN
a_int <= a;
b_int <= b;
c_int <= c;
d_int <= d;
pdt_int <= a_int * b_int;
pdt2_int <= c_int * d_int;
result_int <= pdt_int + pdt2_int;
END IF;
END PROCESS;
result <= result_int;
END rtl;
6–12
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–8. 入力、出力、およびパイプライン・レジスタを備えた VHDL 符号付き乗算累積器
(レイテンシ = 3)
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.numeric_std.all;
ENTITY sig_altmult_accum IS
PORT (
a: IN SIGNED(7 DOWNTO 0);
b: IN SIGNED (7 DOWNTO 0);
clk: IN STD_LOGIC;
accum_out: OUT SIGNED (15 DOWNTO 0)
) ;
END sig_altmult_accum;
ARCHITECTURE rtl OF sig_altmult_accum IS
SIGNAL a_reg, b_reg: SIGNED (7 DOWNTO 0);
SIGNAL pdt_reg: SIGNED (15 DOWNTO 0);
SIGNAL adder_out: SIGNED (15 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS (clk)
BEGIN
IF (clk'event and clk = '1') THEN
a_reg <= (a);
b_reg <= (b);
pdt_reg <= a_reg * b_reg;
adder_out <= adder_out + pdt_reg;
END IF;
END process;
accum_out <= (adder_out);
END rtl;
altsyncram & lpm_ram_dp—RAM ファンクションを HDL
コードから推測
合成ツールは専用の RAM ブロックを搭載したデバイス・ファミリに対
して、altsyncram または lpm_ram_dp メガファンクションに置換で
きるレジスタおよびロジックのセットを検出し、RAM ファンクション
を推測します。
合成ツールは、シングル・ポートおよびシンプル・デュアル・ポート(1
つのリード・ポートと 1 つのライト・ポート)の RAM ブロックを認識
します。汎用ロジックのレジスタを使用することによって、小さな RAM
ブロックを効率的に実装できるので、通常は小さな RAM ブロックは推
測しません。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–13
Quartus II ハンドブック Volume 1
Quartus II 合成機能を使用している場合、すべてのサイズの RAM
ブロックを推測するよう指定できます。Assignments メニューの
Settings をクリックします。Category リストで、Analysis &
Synthesis をクリックします。More Settings をクリックします。
Existing Options Settings で、オプション Allow Any RAM Size
for Recognition を選択します。Setting 矢印をクリックし、ON
を選択します。
デザインに合成ツールが認識も推測もしない RAM ブロックが含
まれている場合、デザインが大量のシステム・メモリを要求し、
これによってコンパイル問題が発生する可能性があります。
一部の合成ツールには、TriMatrixTM メモリ・ブロックを搭載するアル
テラ・デバイス用に、推測された RAM ブロックの実装を制御するオプ
ションが用意されています。例えば、Quartus II 合成機能では、値に
“M512”、“M4K”、または “M-RAM” を使用してメモリ・ブロックのタイ
プを指定するか、または値 “logic” を使用して、専用メモリ・ブロックの
代わりに通常のロジックの使用を指定するramstyle合成属性を使用しま
す。
合成属性について詳しくは、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「合
成」セクションの該当する章を参照してください。
フォーマル検証フローを使用している場合、アルテラでは RAM ロジッ
クのみ搭載した別のエンティティまたはモジュールで RAM ブロックを
作成することを推奨しています。Quartus II 合成機能を使用する場合な
どの特定のフォーマル検証フローでは、フォーマル検証ツールは RAM
ブロックをサポートしないため、推測された RAM を持つエンティティ
ま た は モ ジ ュ ー ル は 自 動 的 に ブ ラ ッ ク・ボ ッ ク ス に 置 か れ ま す。
Quartus II ソフトウェアは、このような場合は警告メッセージを発行し
ます。エンティティまたはモジュールの RAM ブロックの外に、追加ロ
ジックが搭載されている場合、このロジックもフォーマル検証ではブ
ラック・ボックスとして処理する必要があるため検証できません。
デュアル・クロック同期 RAM
アルテラの TriMatrix メモリ・ブロックは同期型です。このため、これ
らの専用メモリ・ブロックを含むアーキテクチャをターゲットとした
RAM デザインは、同期型でなければデバイス・アーキテクチャに直接
マップすることはできません。同期メモリは、すべてのアルテラ・デバ
イス・ファミリでサポートされています。
6–14
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
同じ RAM アドレスに対する読み出しと書き込みが同時に起こると、ア
ルテラ・デバイスの TriMatrix メモリ・ブロックは未定義のデータ値を
返します。この点はオリジナルの HDL デザインの機能とは異なります。
デザインで同じ RAM アドレスの読み出しと書き込みを行うときに特定
の出力が必要になる場合、合成ツールにこれらのメモリに対する RAM
推測を無効にすることによって、デュアル・クロック・メモリに対する
RAM ブロックを推測しないように指示します。
合成ツールの RAM 推測を無効にする具体的なオプションについては、
合成ツールのマニュアルか、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「合
成」セクションの該当する章を参照してください。
例 6–9 および 6–10 のコード・サンプルには、デュアル・クロック同期
RAM を推測する Verilog HDL と VHDL コードを示しています。
例 6–9. Verilog HDL デュアル・クロック同期 RAM
module ram_dual (q, addr_in, addr_out, d, we, clk1, clk2);
output [7:0] q;
input [7:0] d;
input [6:0] addr_in;
input [6:0] addr_out;
input we, clk1, clk2;
reg [6:0] addr_out_reg;
reg [7:0] q;
reg [7:0] mem [127:0];
always @ (posedge clk1)
begin
if (we)
mem[addr_in] <= d;
end
always @ (posedge clk2) begin
q <= mem[addr_out_reg];
addr_out_reg <= addr_out;
end
endmodule
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–15
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–10. VHDL デュアル・クロック同期 RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY ram_dual IS
PORT (
clock1, clock2: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0);
write_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
read_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
we: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0)
);
END ram_dual;
ARCHITECTURE rtl OF ram_dual IS
TYPE MEM IS ARRAY(0 TO 31) OF STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
SIGNAL ram_block: MEM;
SIGNAL read_address_reg : INTEGER RANGE 0 to 31;
BEGIN
PROCESS (clock1)
BEGIN
IF (clock1'event AND clock1 = '1') THEN
IF (we = '1') THEN
ram_block(write_address) <= data;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (clock2)
BEGIN
IF (clock2'event AND clock2 = '1') THEN
q <= ram_block(read_address_reg);
read_address_reg <= read_address;
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
Read-Through-Write 動作のないシングル・クロック同期 RAM
この項のコード例には、
シングル・クロック同期 RAM を推測する Verilog
HDL と VHDL コードを示しています。アルテラの TriMatrix メモリ・ブ
ロックは同期型です。このため、これらの専用メモリ・ブロックを含む
アーキテクチャをターゲットとした RAM デザインは、同期型でなけれ
ばデバイス・アーキテクチャに直接マップすることはできません。
これらの例では、TriMatrix メモリ・ブロックで直接サポートされていな
い、read-through-write 動作も回避しています。アルテラでは、デザイ
ンで RAM に read-through-write 動作が要求されない限り、すなわちデ
ザインで同じ RAM 位置に対する同時読み出しおよび書き込みで、現在
その RAM 位置に書き込み中の新しい値が要求されなければ、このコー
ディング・スタイルを使用することを推奨しています。
6–16
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
TriMatrix メモリ・ブロックでは、同一クロック・サイクルで同
じアドレスに対する読み出しと書き込みを試みた場合、メモリ・
モードとブロック・タイプに応じて、読み出し時にそのアドレス
の古いデータまたは未知のデータが返されます。
Read-through-write 動作の RAM が必要な場合は、6–18 ページの「ReadThrough-Write 動作対応シングル・クロック同期 RAM」の項を参照して
ください。
特定のデバイスの専用メモリ・ブロックについて詳しくは、アルテラ・
ウェブサイト www.altera.co.jp の該当するアルテラ・デバイス・ファミ
リのデータ・シートを参照してください。
例 6–11 および 6–12 に示す RAM コード・サンプルは、
アルテラ TriMatrix
メモリに直接マップしています。
例 6–11. Read-Through-Write 動作非対応 Verilog HDL シングル・クロック同期 RAM
module ram_infer (q, a, d, we, clk);
output reg [7:0] q;
input [7:0] d;
input [6:0] a;
input we, clk;
reg [7:0] mem [127:0];
always @ (posedge clk) begin
if (we)
mem[a] <= d;
q <= mem[a]; // q doesn't get d in this clock cycle
end
endmodule
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–17
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–12. Read-Through-Write 非対応 VHDL シングル・クロック同期 RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY ram IS
PORT (
clock: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);
write_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
read_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
we: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)
);
END ram;
ARCHITECTURE rtl OF ram IS
TYPE MEM IS ARRAY(0 TO 31) OF STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);
SIGNAL ram_block: MEM;
BEGIN
PROCESS (clock)
BEGIN
IF (clock'event AND clock = '1') THEN
IF (we = '1') THEN
ram_block(write_address) <= data;
END IF;
q <= ram_block(read_address);
-- VHDL semantics imply that q doesn't get data
-- in this clock cycle
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
Read-Through-Write 動作対応シングル・クロック同期 RAM
TriMatrix メモリ・ブロックは、混合ポートでの read-through-write 動作
はサポートしていません。これは、同一クロック・サイクルで同じアド
レスに対する読み出しと書き込みを試みた場合、
メモリ・モードとブロッ
ク・タイプに応じて、読み出し時にそのアドレスの古いデータまたは未
知のデータが返されることを意味します。ただし、同じ位置に対して同
時に読み出しと書き込みを行うと、読み出し時に現在その RAM 位置に
書き込み中の新しい値が読み出される HDL コードで、RAM ブロックを
説明することができます。以下の例では、このタイプの RAM ロジック
を推測するコードを示しています。この働きをターゲット・デバイスに
実装するために、合成ソフトウェアは RAM ブロックの周囲にバイパス・
ロジックを追加します。RAM ブロックがデザインのクリティカル・パ
スに含まれる場合、このバイパス・ロジックにより、デザインの面積利
用率が増加し性能が低下します。
6–18
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–13 および 6–14 に示す RAM 例では、RAM ブロックの周辺にバイ
パス・ロジックが必要です。
例 6–13. Read-Through-Write 動作対応 Verilog HDL シングル・クロック同期 RAM
module ram_infer (q, a, d, we, clk);
output [7:0] q;
input [7:0] d;
input [6:0] a;
input we, clk;
reg [6:0] read_add;
reg [7:0] mem [127:0];
always @ (posedge clk) begin
if (we)
mem[a] <= d;
read_add <= a;
end
assign q = mem[read_add];
endmodule
例 6–14. Read-Through-Write 動作対応 VHDL シングル・クロック同期 RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY ram IS
PORT (
clock: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);
write_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
read_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
we: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)
);
END ram;
ARCHITECTURE rtl OF ram IS
TYPE MEM IS ARRAY(0 TO 31) OF STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);
SIGNAL ram_block: MEM;
SIGNAL read_address_reg: INTEGER RANGE 0 to 31;
BEGIN
PROCESS (clock)
BEGIN
IF (clock'event AND clock = '1') THEN
IF (we = '1') THEN
ram_block(write_address) <= data;
END IF;
read_address_reg <= read_address;
END IF;
END PROCESS;
q <= ram_block(read_address_reg);
END rtl;
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–19
Quartus II ハンドブック Volume 1
2 つのリード・アドレスを持つ同期 RAM
Quartus II 合成機能は、2 つのリード・アドレスと 1 つのライト・アド
レスを持つ RAM 記述から、RAM ブロックを推測できます。このタイ
プの RAM ブロックは、図 6-1 に示すように RAM ブロックを複製する
ことによって実装できます。ブロックごとに独立しているリード・アド
レスを除いて、両方の RAM ブロックのすべての入力が複製されます。
図 6-1. 2 つのリード・アドレスを持つ同期 RAM を示すブロック図
mem_dual
we
clk
d [7..0]
WE
CLK0
CLK1
DATAIN [7..0]
write_address [6..0]
WADDR [6..]0
read_address2 [6..0]
RADDR [6..0]
DATAOUT [7..0]
q2 [7..0]
DATAOUT [7..0]
q [7..0]
SYNC_RAM
mem_dual
WE
CLK0
CLK1
DATAIN [7..0]
ra [6..0]
WADDR [6..]0
RADDR [6..0]
SYNC_RAM
例 6–15 と 6–16 に示す 2 つのリード・アドレスを持つ RAM コード・サ
ンプルは、RAM ブロックの複製により推測されています。
6–20
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–15. 2 つのリード・アドレスを持つ Verilog HDL シングル・クロック同期 RAM
module dual_ram_infer (q, q2, write_address, read_address, read_address2, d, we, clk);
output reg [7:0] q;
output reg [7:0] q2;
input [7:0] d;
input [6:0] write_address;
input [6:0] read_address;
input [6:0] read_address2;
input we, clk;
reg [7:0] mem [127:0];
always @ (posedge clk) begin
if (we)
mem[write_address] <= d;
q <= mem[read_address];
q2 <= mem[read_address2];
end
endmodule
例 6–16. 2 つのリード・アドレスを持つ VHDL シングル・クロック同期 RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY dual_ram_infer IS
PORT (
clock: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);
write_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
read_address: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
read_address2: IN INTEGER RANGE 0 to 31;
we: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0);
q2: OUT STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)
);
END dual_ram_infer;
ARCHITECTURE rtl OF dual_ram_infer IS
TYPE MEM IS ARRAY(0 TO 31) OF STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0);
SIGNAL ram_block: MEM;
BEGIN
PROCESS (clock)
BEGIN
IF (clock'event AND clock = '1') THEN
IF (we = '1') THEN
ram_block(write_address) <= data;
END IF;
q <= ram_block(read_address);
q2 <= ram_block(read_address2);
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–21
Quartus II ハンドブック Volume 1
非同期リード・アドレスを持つシングル・クロック同期 RAM
例 6–17 および 6–18 に示すコード・サンプルに、非同期リード・アドレ
スおよびレジスタ出力を備えた RAM の Verilog HDL と VHDL コードを
示します。
以下の例の RAM コードの実装は、デバイス・ファミリの専用 RAM アー
キテクチャによって異なります。APEX シリーズの RAM アーキテクチャ
は非同期リード・アドレスをサポートしているため、例えば、APEX デ
バイス・シリーズに非同期リード・アドレスを実装するのは簡単です。
ただし、Stratix® デバイスおよび大部分の新しいデバイス・ファミリでは
リード・アドレスをラッチする必要があります。したがって、以下の例
では非同期 RAM コードを直接実装することはできません。Stratix シ
リーズのデバイスなどに非同期 RAM を実装する場合、合成ツールで出
力レジスタを RAM ブロックの入力に移動すれば、altsyncram メガ
ファンクションを使用してロジックを実装できます。リード・クロック
とライト・クロックが異なる場合、出力レジスタを RAM ブロックの入
力に移動すると機能が多少変更されることがあります。このような状況
では、合成ソフトウェアが警告を発行します。Quartus II 合成機能を使
用している場合、Quartus II ヘルプで違いを説明しています。これらの
RAM の例では、デバイスのアーキテクチャによっては直接 RAM ブロッ
クにマップしない場合があります。
例 6–17. 非同期リード・アドレスを持つ Verilog HDL シングル・クロック同期 RAM
module ram (clock, data, write_address, read_address, we, q);
parameter ADDRESS_WIDTH = 4;
parameter DATA_WIDTH
= 8;
input clock;
input [DATA_WIDTH-1:0] data;
input [ADDRESS_WIDTH-1:0] write_address;
input [ADDRESS_WIDTH-1:0] read_address;
input we;
output [DATA_WIDTH-1:0] q;
reg [DATA_WIDTH-1:0] q;
reg [DATA_WIDTH-1:0] ram_block [2**ADDRESS_WIDTH-1:0];
always @ (posedge clock)
begin
if (we)
ram_block[write_address] <= data;
q <= ram_block[read_address];
end
endmodule
6–22
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–18. 非同期リード・アドレスを持つ VHDL シングル・クロック同期 RAM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.numeric_std.ALL;
ENTITY ram IS
GENERIC (
ADDRESS_WIDTH: integer := 4;
DATA_WIDTH: integer := 8
);
PORT (
clock: IN std_logic;
data: IN STD_LOGIC_VECTOR(DATA_WIDTH - 1 DOWNTO 0);
write_address IN STD_LOGIC_VECTOR (ADDRESS_WIDTH - 1 DOWNTO 0);
read_address IN STD_LOGIC_VECTOR(ADDRESS_WIDTH - 1 DOWNTO 0);
we: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(DATA_WIDTH - 1 DOWNTO 0)
);
END ram;
ARCHITECTURE rtl OF ram IS
TYPE RAM IS ARRAY(0 TO 2 ** ADDRESS_WIDTH - 1) OF std_logic_vector(DATA_WIDTH - 1
DOWNTO 0);
SIGNAL ram_block: RAM;
BEGIN
PROCESS (clock)
BEGIN
IF (clock'event AND clock = '1') THEN
IF (we = '1') THEN
ram_block(TO_INTEGER(UNSIGNED(write_address))) <= data;
END IF;
q <= ram_block(TO_INTEGER(UNSIGNED(read_address)));
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
初期メモリ内容の指定
合成ツールによっては、推測されるメモリの初期内容を指定できます。
例えば、Quartus II 合成機能は、推測される RAM ブロックにメモリ初
期化ファイル(.mif)を指定できる ram_init_file という合成属性を
サポートしています。VHDL では、対応する信号にデフォルト値を指定
することで、推測されるメモリの内容を初期化することもできます。
Quartus II 合成機能では、推測される RAM のデフォルト値が MIF に自
動的に変換されます。
ram_init_file 属性について詳しくは、
「Quartus II ハンドブック
Volume 1」の「Quartus II 合成機能」の章を参照してください。他の合
成ツールの合成機能について詳しくは、ツール・ベンダのマニュアルを
参照してください。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–23
Quartus II ハンドブック Volume 1
lpm_rom—ROM を HDL コードから推測
ROM ファンクションを推測する場合、合成ツールは専用の RAM ブロッ
クを搭載したデバイス・ファミリに対してのみ、そのデバイス・ファミ
リに応じて altsyncram または lpm_rom メガファンクションに置換で
きるレジスタおよびロジックのセットを検出します。
フォーマル検証ツールは ROM メガファンクションをサポートし
ないため、Quartus II 合成機能はサードパーティ・フォーマル検
証ツールが選択されている場合は、ROM メガファンクションを
推測しません。
ROM が推測されるのは、case 文内のすべての選択肢に定数値が設定さ
れている case 文が存在する場合です。小規模な ROM は、一般的に通常
のロジックによるレジスタを使用して実装される場合に最高の性能を達
成するため、各 ROM ファンクションが推測されメモリに配置されるに
は、最小サイズ要件を満たしている必要があります。
Quartus II 合成機能を使用している場合、ソフトウェアにすべて
の サ イ ズ の ROM ブ ロ ッ ク を 推 測 す る よ う 指 示 で き ま す。
Assignments メニューの Settings をクリックします。Category
リストで、Analysis & Synthesisをクリックします。
More Settings
をクリックします。Existing Options Settings で、オプション
Allow Any ROM Size for Recognition を選択します。Setting 矢
印をクリックし、ON を選択します。
一部の合成ツールには、TriMatrix メモリ・ブロックを搭載するアルテ
ラ・デバイス用に、推測された ROM ブロックの実装を制御するオプショ
ンが用意されています。例えば、Quartus II 合成機能では、値に “M512”、
“M4K”、または “M-RAM” を使用してメモリ・ブロックのタイプを指定
するか、または値 “logic” を使用して、専用メモリ・ブロックの代わりに
通常のロジックの使用を指定する romstyle 合成属性を使用します。
合成属性について詳しくは、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「合
成」セクションの該当する章を参照してください。フォーマル検証フロー
を使用している場合、アルテラでは ROM ロジックのみ搭載した別のエ
ンティティまたはモジュールで ROM ブロックを作成することを推奨し
ています。これはフォーマル検証中に、エンティティとモジュールをブ
ラック・ボックスとして処理する必要があるためです。
例 6–19 および 6–20 に示す Verilog HDL と VHDL コードのサンプルで
は、同期 ROM ブロックを推測しています。デバイス・ファミリの専用
RAM アーキテクチャによっては、ROM ロジックが同期型でなければな
りません。詳しくはデバイス・ファミリのハンドブックを参照してくだ
さい。
6–24
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
Stratix シリーズ・デバイスや最近のデバイス・ファミリなど、同期 RAM
ブロックを搭載したデバイス・アーキテクチャの場合、ROM コードを
推測するためにアドレスまたは出力をラッチする必要があります。出力
レジスタが使用される場合、これらのレジスタは Stratix RAM ブロック
の入力レジスタを使用して実装されますが、ROM の機能は変更されま
せん。アドレスをラッチする場合、推測される ROM のパワーアップ状
態が HDL デザインと異なる場合があります。このようなシナリオでは、
一般に合成ソフトウェアが警告を発行します。Quartus II ヘルプは、
Quartus II 合成機能を使用するときに機能が変更される状況を説明して
います。これらの ROM コード・サンプルは、アルテラ TriMatrix メモ
リ・アーキテクチャに直接マップしています。
例 6–19. Verilog HDL 同期 ROM
module sync_rom (clock, address, data_out);
input clock;
input [7:0] address;
output [5:0] data_out;
reg [5:0] data_out;
always @ (posedge clock)
begin
case (address)
8'b00000000: data_out
8'b00000001: data_out
...
8'b11111110: data_out
8'b11111111: data_out
endcase
end
endmodule
Altera Corporation
2006 年 5 月
= 6'b101111;
= 6'b110110;
= 6'b000001;
= 6'b101010;
6–25
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–20. VHDL 同期 ROM
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
ENTITY sync_rom IS
PORT (
clock: IN STD_LOGIC;
address: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
data_out: OUT STD_LOGIC_VECTOR(5 downto 0)
);
END sync_rom;
ARCHITECTURE rtl OF sync_rom IS
BEGIN
PROCESS (clock)
BEGIN
IF rising_edge (clock) THEN
CASE address IS
WHEN "00000000" => data_out <= "101111";
WHEN "00000001" => data_out <= "110110";
...
WHEN "11111110" => data_out <= "000001";
WHEN "11111111" => data_out <= "101010";
WHEN OTHERS => data_out <= "101111";
END CASE;
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
altshift_taps— シフト・レジスタを HDL コードから推測
シフト・レジスタを推測する場合、合成ツールは同じ長さのシフト・レ
ジスタ・グループを検出して、これらを altshift_taps メガファンク
ションに変換します。すべてのシフト・レジスタが検出されるには、以
下の特性を備えている必要があります。
■
同じクロックおよびクロック・イネーブルを使用
他のセカンダリ信号がない
■ タップがレジスタ 3 個以上分離して等間隔に配置されている。
■
フォーマル検証ツールはシフト・レジスタ・メガファンクション
をサポートしないため、Quartus II 合成機能はサードパーティ・
フォーマル検証ツールが選択されている場合は、altshift_taps
メガファンクションを推測しません。Settings ダイアログ・ボッ
クスの EDA Tool Settings ページで、Quartus II プロジェクトで
使用する EDA ツールを選択できます。
6–26
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
フォーマル検証フローを使用している場合、アルテラではシフト・レジ
スタ・ロジックのみ搭載した別のエンティティまたはモジュールでシフ
ト・レジスタ・ブロックを作成することを推奨しています。これはフォー
マル検証中に、エンティティまたはモジュールをブラック・ボックスと
して処理する必要があるためです。
合成ソフトウェアは専用の RAM ブロックを搭載するデバイス・ファミ
リのシフト・レジスタのみ認識し、特定のガイドラインに従って最適な
実装を判断します。以下のガイドラインは Quartus II 合成機能で使用さ
れ、一般にサードパーティ EDA ツールでも使用されます。
FLEX® 10K および ACEX® 1K デバイスの専用メモリ量は比較的小さい
ため、これらのデバイスの場合、altshift_taps メガファンクショ
ンは推測されません。
■ APEX 20K および APEX II デバイスの場合、ソフトウェアはシフト・
レ ジ ス タ の 総 ビ ッ ト 数 が 128 ビ ッ ト を 超 え る 場 合 に の み、
altshift_taps メガファンクションを推測します。シフト・レジ
スタが小さい場合、通常は専用メモリへの実装で効果は得られません。
■ Stratix および Cyclone™ シリーズのデバイスの場合、バスの幅(W)
、
各 タ ッ プ 間 の 長 さ(L)、お よ び タ ッ プ 数(N)に 基 づ い て
altshift_taps メガファンクションを推測するかどうかを判断し
ます。
●
バス幅が 1 (W = 1) の場合、タップ数とタップ間の長 さを乗算し
た値が 64 以上 (N × L ≥ 64) であれば、altshift_taps が推
測されます。
●
バス幅が 1 を超える場合 (W > 1)、バス幅、タップ数、各タップ
間の長さを乗算した値が 32 以上であれば (W × N × L ≥ 32)、
altshift_taps が推測されます。
■
タップ間の長さ(L)が 2 の累乗にならない場合、リード・カウンタと
ライト・カウンタをデコードする別のロジックが使用されます。このよ
うな状況になるのは、サイズの異なるシフト・レジスタの場合、ファン
クションの実装にロジック・エレメント(LE)またはアダプティブ・ロ
ジック・モジュール(ALM)を使用する外部デコード・ロジックが必要
になるためです。このデコード・ロジックによって、シフト・レジスタ
をメモリに実装する場合の性能上および利用上の利点が損なわれます。
altshift_taps メガファンクションにマップされ、RAM に配置され
るレジスタは、合成後にはそれらのノード名が存在しないため、シミュ
レーション・ツールの Verilog HDL または VHDL ファイルでは使用で
きません。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–27
Quartus II ハンドブック Volume 1
以下の例ではシフト・レジスタが推測されます。
■
Verilog HDL シングル・ビット幅、64 ビット長シフト・レジスタ
タップが等間隔で配置された Verilog HDL 8 ビット幅、
64 ビット長シ
フト・レジスタ
■ タップが等間隔で配置された VHDL 8 ビット幅、
64 ビット長シフト・
レジスタ
■
Verilog HDL シングル・ビット幅、64 ビット長シフト・レジスタ
例 6–21 に示す Verilog HDL コード・サンプルは、シンプルなシングル・
ビット幅、64 ビット長のシフト・レジスタを示しています。合成ソフト
ウェアは、サポートされるデバイスに対して、altshift_taps メガ
ファンクションにレジスタ(W = 1 と M = 64)を実装します。レジス
タの長さが 64 ビット未満の場合、シフト・レジスタはロジックに実装さ
れます。
例 6–21. Verilog HDL シングル・ビット幅、64 ビット長シフト・レジスタ
module shift_1x64 (clk, shift, sr_in, sr_out);
input clk, shift;
input sr_in;
output sr_out;
reg [63:0] sr;
always @ (posedge clk)
begin
if (shift == 1'b1)
begin
sr[63:1] <= sr[62:0];
sr[0] <= sr_in;
end
end
assign sr_out = sr[63];
endmodule
タップが等間隔で配置された Verilog HDL 8 ビット幅、64 ビット
長シフト・レジスタ
例 6–22 と 6–23 に示すコード・サンプルには、タップが 15、31、47 番目
と等間隔で配置された Verilog HDL および VHDL 8 ビット幅、64 ビッ
ト長のシフト・レジスタ(W > 1 と M = 64)を示しています。合成ソフ
トウェアはこのファンクションを 1 つの altshift_taps メガファンク
ションに実装し、それをサポートされるデバイスの RAM にマップしま
す。
6–28
Altera Corporation
2006 年 5 月
HDL コード からの アルテラ・ メガファンクションの推測
例 6–22. タップが等間隔で配置された Verilog HDL 8 ビット幅、64 ビット長シフト・レジスタ
module shift_8x64_taps (clk, shift, sr_in, sr_out, sr_tap_one, sr_tap_two, sr_tap_three );
input clk, shift;
input [7:0] sr_in;
output [7:0] sr_tap_one, sr_tap_two, sr_tap_three, sr_out;
reg [7:0] sr [63:0];
integer n;
always @ (posedge clk)
begin
if (shift == 1'b1)
begin
for (n = 63; n>0; n = n-1)
begin
sr[n] <= sr[n-1];
end
sr[0] <= sr_in;
end
end
assign
assign
assign
assign
endmodule
sr_tap_one = sr[15];
sr_tap_two = sr[31];
sr_tap_three = sr[47];
sr_out = sr[63];
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–29
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–23. タップが等間隔で配置された VHDL 8 ビット幅、64 ビット長シフト・レジスタ
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY shift_8x64_taps IS
PORT (
clk: IN STD_LOGIC;
shift: IN STD_LOGIC;
sr_in: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
sr_tap_one: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
sr_tap_two : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
sr_tap_three: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
sr_out: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END shift_8x64_taps;
ARCHITECTURE arch OF shift_8x64_taps IS
SUBTYPE sr_width IS STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
TYPE sr_length IS ARRAY (63 DOWNTO 0) OF sr_width;
SIGNAL sr: sr_length;
BEGIN
PROCESS (clk)
BEGIN
IF (clk'EVENT and clk = '1') THEN
IF (shift = '1') THEN
sr(63 DOWNTO 1) <= sr(62 DOWNTO 0);
sr(0) <= sr_in;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
sr_tap_one <= sr(15);
sr_tap_two <= sr(31);
sr_tap_three <= sr(47);
sr_out <= sr(63);
END arch;
デバイス
固有の
コーディング・
ガイドライン
この項では、アルテラ・デバイスのアーキテクチャに対するデバイス固
有のコーディングの推奨事項について説明します。作成した HDL コー
ドを合成ツールがどのようにターゲットのアルテラ・デバイスにマップ
するかを理解することが重要です。レジスタおよび特定のロジック構造
を、該当するアルテラ・デバイスのアーキテクチャに合わせて設計する
ことによって、デザインの結果の品質を大幅に改善できます。
アルテラ・デバイスのレジスタ・パワーアップ値
デバイス・コアのレジスタは、すべてのアルテラ・デバイスで常に Low
(0)ロジック・レベルでパワーアップします。ただし、レジスタが High
(1)
ロジック・レベルでパワーアップしたのと同様に動作するようロジッ
クを実装する方法があります。
6–30
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
レジスタ・アーキテクチャでプリセットをサポートしないデバイス上で、
プリセット信号を使用する場合、合成ツールはプリセット信号をクリア
信号に変換することがありますが、それには合成で NOT ゲート・プッ
シュバックと呼ばれる最適化を実行する必要があります。NOT- ゲート・
プッシュバックにより、レジスタの入力および出力にインバータが追加
されるため、リセット状態とパワーアップ状態は High になりますが、
デバイスは期待どおりに動作します。
この場合、合成ツールはパワーアッ
プ状態を伝えるメッセージを発行することがあります。レジスタ自体は
Low でパワーアップしますが、レジスタ出力が反転されるので、すべて
のディスティネーションで到着する信号は High です。
このような影響により、特定のリセット値(0 以外)を指定すると、合
成ツールはレジスタで利用できる同期クリア(aclr)信号を使用して、
NOT ゲート・プッシュバックで High ビットを実装する場合があります。
その場合、レジスタは指定されたリセット値にパワーアップしているよ
うに見えます。この動作が見られるのは、デザインが FLEX 10KE また
は ACEX デバイスをターゲットにしている場合です。
デバイスでロード信号が使用できる場合、合成ツールは 1 または 0 の非
同期ロードを使用して 1 または 0 値のリセットを実装できます。合成ツー
ルが非同期ロード信号を使用する場合、NOT ゲート・プッシュバックは
実行しないため、レジスタは 0 ロジック・レベルでパワーアップします。
詳しくは、該当するデバイス・ファミリのハンドブック、またはアルテ
ラ・ウェブサイト www.altera.co.jp で該当するハンドブックを参照して
ください。
設計者は、通常デザインに対して明示的なリセット信号を使用します。
この信号によって、必ずしもパワーアップ時でなくても、リセット後に
すべてのレジスタが適切な値に強制されます。非同期リセットによって
ボードが安全な状態で動作できるようにデザインを作成しておき、リ
セットがアクティブな状態でデザインを立ち上げることができます。こ
れがデバイスのパワーアップ状態に依存しない、適切な方法です。
レジスタの非同期コントロール・ポートをドライブする前に、デバイス・
アーキテクチャの外部ロジックまたは組み合わせロジックを同期させる
ことによって、デザインの安定性を高め、潜在的なグリッチの発生を防
止することができます。
適切な同期デザイン方法について詳しくは、「Quartus II ハンドブック
Volume 1」の「Design Recommendations for Altera Devices」の章を参
照してください。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–31
Quartus II ハンドブック Volume 1
デザインに特定のパワーアップ状態を強制する場合は、合成ツールで使
用可能な合成オプションを使用します。Quartus II 合成機能により、
Power-Up Level ロジック・オプションを適用できます。またソース・
コードで altera_attribute アサインメントを指定したオプションも
適用可能です。このオプションを使用すると、合成ツールは実際にはコ
ア・レジスタのパワーアップ状態を変更できないため、合成で強制的に
NOT ゲート・プッシュバックが実行されます。
Quartus II 合成機能の Power-Up Level アサインメントは、特定のレジ
スタまたはデザインのエンティティ、モジュール、またはサブデザイン
に適用できます。この場合、適用されたブロック内のすべてのレジスタ
に対するアサインメントとなります。レジスタはデフォルトでは 0 でパ
ワーアップするため、このアサインメントを使用すると、NOT ゲート・
プッシュバックを使用して、すべてのレジスタが 1 でパワーアップする
ように設定することができます。
NOT ゲート・プッシュバックをグローバル・アサインメントとし
て使用すると、多数のインバータが必要になるため、結果の品質
が多少低下する場合があることに注意してください。状況によっ
ては、イネーブルまたはセカンダリ・コントロール・ロジックの
推測によって問題が生じます。またこのようなデザインを、ASIC
または HardCopy® デバイスに移行するのが困難な場合もありま
す。初期化を行っている場合は、機能シミュレーションでパワー
アップ動作をシミュレートできます。
Power-Up Level オ プ シ ョ ン と altera_attribute に つ い て は、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「Quartus II 合成機能」の章で
説明しています。
VHDL では、合成ツールによっては、レジスタの初期化デバイスに実装
することも可能です。例えば、Quartus II 合成機能は、レジスタの VHDL
デフォルト値を Power-Up Level 設定に変換します。このように合成さ
れた動作は、機能シミュレーションでの VHDL コードのパワーアップ状
態に一致します。
6–32
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
例えば、以下のコードでは q のレジスタが推測され、そのパワーアップ・
レベルを High(リセット値は 0)に設定します。
SIGNAL q : STD_LOGIC := '1'; -- q has a default value of '1'
PROCESS (clk, reset)
BEGIN
IF (reset = '1') THEN
q <= '0';
ELSIF (rising_edge(clk)) THEN
q <= d;
END IF;
END PROCESS;
ほとんどの合成ツールと同様に、
Quartus IIソフトウェアはVerilog
HDL 初期ブロックを合成しません。したがって、このツールは
初期ブロックにおける変数への値の代入を合成しません。
クリア & クロック・イネーブルなどのセカンダリ・レジス
タ・コントロール信号
FPGA デバイス・アーキテクチャは、フリップフロップとしても知られ
るレジスタをベースにしています。アルテラ FPGA のレジスタは複数の
セカンダリ・コントロール信号(クリア信号やイネーブル信号など)を
提供しており、この信号を使用すると、特別なロジック・セルを使用し
ないで、各レジスタ用のコントロール・ロジックを実装できます。セカ
ンダリ信号のサポートはデバイス・ファミリごとに異なるため、デバイ
ス・ファミリのデータシートを参照して、ターゲット・デバイスで使用
可能な信号を確認してください。
デバイスで信号を最も効率的に活用するには、HDL コードが可能な限り
デバイス・アーキテクチャに一致している必要があります。アーキテク
チャの性質のために、コントロール信号には一定の優先順位が設定され
ているため、可能な場合はその優先順位に従って HDL コードを作成す
る必要があります。
合成ツールは通常のロジックを使用して、すべてのコントロール信号を
エミュレートできるため、常に適切な機能の結果が得られます。ただし、
コントロール信号が使用される条件および優先順位の点でデザイン要件
に柔軟性がある場合は、デザインをターゲット・デバイスのアーキテク
チャに一致させ、最も効率的な結果を達成してください。デザインの信
号の優先順位がターゲット・アーキテクチャと一致しない場合は、コン
トロール信号を実装するための特別なロジックが必要になることがあり
ます。この特別なロジックでは、さらに別のデバイス・リソースが使用
され、コントロール信号の遅延が増加する可能性があります。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–33
Quartus II ハンドブック Volume 1
また、状況によっては、デバイス・アーキテクチャで専用コントロール・
ロジック以外のロジックを使用すると大きな影響を及ぼす可能性があり
ます。例えば、クロック・イネーブル信号は、デバイス・アーキテクチャ
の同期リセット信号やクリア信号よりも優先順位が高くなります。クリ
ア信号は同期信号ですが、クロック・イネーブルはロジック・アレイ・
ブロック(LAB)のクロック・ラインをオフにします。このため、デバ
イス・アーキテクチャでは、同期クリアが有効になるのはクロック・エッ
ジが起こった場合に限定されます。クロック・イネーブル信号よりも優
先順位の高い同期クリア信号を使用してレジスタをコーディングする場
合、レジスタのデータ入力を使用して、クロック・イネーブル機能をエ
ミュレートする必要があります。信号はレジスタのクロック・イネーブ
ル・ポートを使用しないため、Clock Enable Multicycle 制約は適用でき
ません。この場合、これらのコントロール信号の優先順位は、デバイス
で使用できる信号の優先順位に従うのが最適であるのは明らかであり、
異なる優先順位を使用すると、クロック・イネーブル信号へのアサイン
メントにより予測とは異なる結果が生じます。
アルテラ・デバイスのセカンダリ・コントロール信号の優先順位
は、他のベンダのデバイスの順序とは異なります。優先順位に関
するデザイン要件が柔軟な場合、FPGA ベンダ間でデザインを移
行するときに、セカンダリ・コントロール信号がデザインの性能
要件に適合することを確認し、ターゲット・デバイスのアーキテ
クチャと整合するようにして最良の結果を達成してください。
アルテラのすべてのデバイス・ファミリで信号の順序は同じですが、前
述したとおり、すべてのデバイス・ファミリがすべての信号を供給する
とは限りません。以下の優先順序を遵守してください。
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
6–34
Asynchronous Clear, aclr—highest priority
Preset, pre
Asynchronous Load, aload
Enable, ena
Synchronous Clear, sclr
Synchronous Load, sload
Data In, data—lowest priority
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
以下の例では、前述した aclr、aload、ena コントロール信号を使用
してレジスタを作成する Verilog HDL および VHDL コードを示してい
ます。
dff_all.v にはセンシティビティ・リストに adata が含まれてい
ませんが、dff_all.vhd は含まれています。これは Verilog HDL
言語の制限です。— 非同期ロード信号を記述する方法はありませ
ん(aload が High の間、adata が切り替わると q が切り替わ
る)。このような制限が課せられていても、すべての合成ツール
はこの構造から aload 信号を推測する必要があります。合成ツー
ルがこのような推測を実行する場合、合成ツールから情報または
警告メッセージが発行されることがあります。
例 6–24. ena、aclr、aload コントロール信号を使用した Verilog HDL D 型フリップフロップ
(レジスタ)
module dff_control(clk, aclr, aload, ena, data, adata, q);
input clk, aclr, aload, ena, data, adata;
output q;
reg q;
always @ (posedge clk or posedge aclr or posedge aload)
begin
if (aclr)
q <= 1'b0;
else if (aload)
q <= adata;
else
if (ena)
q <= data;
end
endmodule
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–35
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–25. ena、aclr、aload コントロール信号を使用した VHDL D 型フリップフロップ
(レジスタ)
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
ENTITY dff_control IS
PORT (
clk: IN STD_LOGIC;
aclr: IN STD_LOGIC;
aload: IN STD_LOGIC;
adata: IN STD_LOGIC;
ena: IN STD_LOGIC;
data: IN STD_LOGIC;
q: OUT STD_LOGIC
);
END dff_control;
ARCHITECTURE rtl OF dff_control IS
BEGIN
PROCESS (clk, aclr, aload, adata)
BEGIN
IF (aclr = '1') THEN
q <= '0';
ELSIF (aload = '1') THEN
q <= adata;
ELSE
IF (clk = '1' AND clk'event) THEN
IF (ena ='1') THEN
q <= data;
END IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
プリセット信号は、より柔軟な aload 信号に置き換えられるため、多く
のデバイス・ファミリには備わっていません。したがって、この例には
プリセット信号は含まれていません。
異なる sload および sclr 信号を備えたレジスタを数多く作成すると、
sclr および sload 信号は LAB ワイド信号(LAB 内で共通の信号)な
ので、Quartus II フィッタでレジスタを LAB にパッキングするのが困難
になることがあります。また LAB ワイドの sload 信号を使用すると、
デバイスが持っている高速フィードバック・パスを使用してレジスタを
パッキングできなくなります。これは一部のレジスタは同一 LAB 内の他
のロジックでパッキングできないことを意味します。
したがって、合成ツールはルック・アップ・テーブル(LUT)にスペー
スがある場合は通常、sload または sclr 信号の使用を避けます。LUT
が使用できる場合は、LUT を使用してこれらの信号を実装したほうが常
6–36
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
に柔軟性が高くなります。sload 信号および sclr 信号の用途は通常、
演算チェイン(カウンタ)
、または良好な LAB パッキングを可能にする
共通信号を備えた十分なレジスタ数を持つワイド・マルチプレクサなど
の特定のファンクションに限定されています。デバイス・ファミリごと
にコントロール信号の数が異なるため、これらの信号の推測もデバイス
独自に行われます。例えば、Stratix II デバイスはセカンダリ・コント
ロール信号については Stratix デバイスよりも柔軟なため、合成ツールは
より多くの Stratix II デバイス用の sload および sclr 信号を推測する
可能性があります。
これらの追加コントロール信号を使用する場合は、デバイス・アーキテ
クチャに合致する優先順序で使用してください。最も効率的な結果を達
成するためには、先の例の aclr が aload よりも優先順位が高いのと同
様に、sclr 信号の優先順位が sload 信号よりも高くなるように設計し
てください。デザインが上記の条件を満たさない場合、これらのレジス
タ専用信号は推測されないことを覚えておいてください。このような場
合、Quartus II ソフトウェアは汎用ロジック・リソースを使って HDL で
記述されたとおりの回路を合成します。
Verilog HDL では、sload および sclr を用いた以下のコードは(モ
ジュール宣言にコントロール信号を追加した後)
、例 6–24 に示す Verilog
HDL の例の q <= data 文を置き換えることができます。
例 6–26. Verilog HDL sload & sclr
if (sclr)
q <= 1'b0;
else if (sload)
q <= sdata;
else
q <= data;
VHDL では、sload と sclr を用いた以下のコードは(エンティティ宣
言にコントロール信号を追加した後)、例 6–25 に示す VHDL の例の
q <= data 文を置き換えることができます。
例 6–27. VHDL sload & sclr
IF (sclr = '1') THEN
q <= '0';
ELSIF (sload = '1') THEN
q <= sdata;
ELSE
q <= data;
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–37
Quartus II ハンドブック Volume 1
Tri-State Signals
アルテラ・デバイスをターゲットにしている場合、トップレベルの双方
向ピンまたは出力ピンに接続されているときにのみトライ・ステート信
号を使用する必要があります。下位レベルの双方向ピンは避け、出力ピ
ンまたは双方向ピンをドライブしている場合を除き、Z ロジック値を使
用するのは避けてください。
合成ツールはマルチプレクサ・ロジックを使用して、内部トライ・ステー
ト信号を含むデザインをアルテラ・デバイスに正しく実装しますが、ア
ルテラではこのコーディング方法は推奨していません。
階層ブロック・ベースまたはインクリメンタル・デザイン・フ
ローでは、下位レベルの双方向ポートが、他のデザイン・ロジッ
クに接続されずに、階層を通して直接トップレベルの出力ピンに
接続されている場合を除き、階層境界に双方向ポートを含めるこ
とはできません。下位レベル・ブロックで境界トライ・ステート
を使用する場合は、合成ソフトウェアによってトライ・ステート
が階層を通してトップレベルに押し上げられ、アルテラ・デバイ
スの出力ピンのトライ・ステート・ドライバが利用されます。ト
ライ・ステートを押し上げるには階層間の最適化が必要になるた
め、下位レベルのトライ・ステートはブロック・ベースのデザイ
ン手法で制限されます。
例 6–28 および 6–29 に示すコード例は、トライ・ステート双方向信号を
作成する Verilog HDL と VHDL コードを示しています。
例 6–28. Verilog HDL トライ・ステート信号
module tristate (myinput, myenable, mybidir);
input myinput, myenable;
inout mybidir;
assign mybidir = (myenable ? myinput : 1'bZ);
endmodule
6–38
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
例 6–29. VHDL トライ・ステート信号
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.std_logic_arith.ALL;
ENTITY tristate IS
PORT (
mybidir : INOUT STD_LOGIC;
myinput : IN STD_LOGIC;
myenable : IN STD_LOGIC
);
END tristate;
ARCHITECTURE rtl OF tristate IS
BEGIN
mybidir <= 'Z' WHEN (myenable = '0') ELSE myinput;
END rtl;
アダー・ツリー
ターゲットにしたアルテラ・デバイスのアーキテクチャに合わせてア
ダー・ツリーを適切に構築すると、性能と集積度が大幅に改善される場
合があります。大きなアダー・ツリーを使用するアプリケーションの例
として、有限インパルス応答(FIR)フィルタがあります。パイプライ
ン化されたバイナリまたはターナリ・アダー・ツリーを適切に使用する
と、結果の品質を大幅に改善できます。
この項では、アルテラの 4 入力 LUT デバイス、および現在 Stratix II デ
バイスでのみ提供されている 6 入力 LUT ロジック構造について、コー
ディング推奨事項が異なる理由を説明します。
ロジック・エレメントに 4 入力 LUT を使用したアーキテクチャ
Stratix シリーズ、Cyclone シリーズ、APEX シリーズ、および FLEX シ
リーズのデバイスなどのアーキテクチャは、LE の標準組み合わせ構造と
して 4 入力 LUT を使用しています。
デザインがパイプライン化可能な場合、4 入力ルックアップ・テーブル
を使用するデバイスにおいて 3 つの数値(A、B、C)を最も高速で加算
する方法は、A + B を計算し、出力をラッチし、ラッチされた出力を C
に加算することです。A + B の加算には 1 レベルのロジック(1 つの LE
で 1 ビットが加算される)が必要なので、最大クロック速度で実行され
ます。これは必要なだけ拡張できます。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–39
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–30 に示すコード・サンプルでは、5 つの数字(A、B、C、D、E)が
追加されています。4 入力ルックアップ・テーブルを使用するデバイス
で 5 つの数字を追加する場合、合計 64 の LE( 16 ビット数値の場合)に
4 つのアダーと 3 レベルのレジスタが必要です。
例 6–30. Verilog HDL パイプライン・バイナリ・ツリー
module binary_adder_tree (A, B, C, D, E, CLK, OUT);
parameter WIDTH = 16;
input [WIDTH-1:0] A, B, C, D, E;
input CLK;
output [WIDTH-1:0] OUT;
wire [WIDTH-1:0] sum1, sum2, sum3, sum4;
reg [WIDTH-1:0] sumreg1, sumreg2, sumreg3, sumreg4;
// Registers
always @ (posedge CLK)
begin
sumreg1 <= sum1;
sumreg2 <= sum2;
sumreg3 <= sum3;
sumreg4 <= sum4;
end
// 2-bit additions
assign sum1 = A + B;
assign sum2 = C + D;
assign sum3 = sumreg1 + sumreg2;
assign sum4 = sumreg3 + E;
assign OUT = sumreg4;
endmodule
アダプティブ・ロジック・エレメントに 6 入力 LUT を使用した
アーキテクチャ
Stratix II アーキテクチャは基本ロジック構造に 6 入力 LUT を使用する
ため、
Stratix II デバイスは上記の 4 入力 LUT を用いた例とは異なるコー
ディング・スタイルのほうが有利です。特に Stratix II デバイスの ALM
は、3 ビットを同時に加算できます。したがって、上記の例のツリーは
深度が 2 レベルで、4 つの add-by-two の代わりに、2 つの add-by-three
で実現できることになります。
Stratix II デバイスの上記の例のコードはコンパイルに成功しますが、こ
のコードは非効率であり、6 入力アダプティブ・ルック・アップ・テー
ブル(ALUT)を活用していません。ツリーをターナリ・ツリーとして
再構築することによって、デザインはより効率化され、集積度の利用率
も大幅に改善されます。したがって、Stratix II デバイスをターゲットに
6–40
Altera Corporation
2006 年 5 月
デバイス 固有の コーディング・ガイドライン
する場合、Stratix II デバイス・アーキテクチャを活用するには、4 入力
LUT アーキテクチャ向けにデザインされたパイプライン・バイナリ・ア
ダー・ツリーは書き直す必要があります。
例 6–31 は Stratix II デバイスの 32 個の ALUT のみで実現できます。
このタイプのコーディング方法を使用している場合は LAB の入
力信号ライン数の制約のために、Stratix II LAB 内の ALM を加算
回路のみでは完全に使い切ること(パックする)ができない場合
があります。ただし、多くのデザインでは、Quartus II フィッタ
は他のロジックを空いている LAB にパックして、未使用 ALM を
活用します。
例 6–31. Verilog HDL パイプライン・ターナリ・ツリー
module ternary_adder_tree (A, B, C, D, E, CLK, OUT);
parameter WIDTH = 16;
input [WIDTH-1:0] A, B, C, D, E;
input CLK;
output [WIDTH-1:0] OUT;
wire [WIDTH-1:0] sum1, sum2;
reg [WIDTH-1:0] sumreg1, sumreg2;
// Registers
always @ (posedge CLK)
begin
sumreg1 <= sum1;
sumreg2 <= sum2;
end
// 3-bit additions
assign sum1 = A + B + C;
assign sum2 = sumreg1 + D + E;
assign OUT = sumreg2;
endmodule
上記の例では、パイプライン化された加算器を示していますが、加算演
算を分割すると非パイプライン化加算器でも結果が向上します。デザイ
ンがパイプライン化されていない場合、ターナリ・ツリーはバイナリ・
ツリーよりもはるかに性能が高くなります。例えば、合成ツールによっ
ては、HDL コード sum = (A + B + C) + (D + E) の方が括弧を使
用しないコードに比べ最適な実装、すなわち 3 入力アダー(A + B + C
に対応)とそれに続く 3 入力アダー(sum1 + D + E に対応)が生成さ
れる可能性が高くなります。括弧を追加しない場合、合成ツールはアー
キテクチャに最適ではない方法で加算を分割する可能性があります。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–41
Quartus II ハンドブック Volume 1
その他の
ロジック
構造の
コーディング・
ガイドライン
この項では、以下のロジック構造のコーディングのガイドラインを示し
ます。
■
Latch— アルテラは可能であれば Latch を使用しないことを推奨して
いますが、この項では Latch が必要な場合に、正しく使用するため
のガイドラインも記載しています。
■ ステート・マシン — この項は、ステート・マシンを使用するときに
最良の結果を得るのに役立ちます。
■ マルチプレクサ — この項では一般的な問題に対処し、マルチプレク
サ・デザインに対して最適なリソース利用を実現するためのデザイ
ン・ガイドラインを示しています。
■ CRC(Cyclic Redundancy Check)チェック機能 — この項では、CRC
機能をデザインする場合に良好な結果を得るためのガイドラインを
示します。
Latch
Latch は、新しい値が割り当てられるまで信号の値を保持する、小さな
組み合わせループです。
アルテラでは、可能な場合はデザインに Latch を使用しないこと
を推奨しています。
Latch およびすべての組み合わせループを使用したデザインに関連する
問題について詳しくは、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「Design
Recommendations for Altera Devices」の章を参照してください。
Latch を使用する意図がないときは、
「意図しない Latch の生成」で詳述
するように、HDL コードから Latch を推測できます。Latch を推測させ
る意図がある場合は、6–44 ページの「Latch の正しい推測」で詳述する
ように、
正しく推測して適切なデバイス動作を保証する必要があります。
意図しない Latch の生成
組み合わせロジックを設計する場合、特定のコーディング・スタイルで
は意図しない Latch が生成される可能性があります。例えば、CASE 文
または IF 文で可能なすべての条件に対応していないときには、新しい
出力値が割り当てられない場合に出力を保持する Latch が必要になるこ
とがあります。合成ツールのメッセージで、推測される Latch への参照
を確認してください。コードで意図せずに Latch が作成された場合は、
コードの変更を行って Latch を削除します。
6–42
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
Latch はフォーマル検証ツールでのサポートが制限されていまし
た。したがって、デザイン・フローでフォーマル検証を使用して
いる場合は、不完全な CASE 文などを通じて、意図しない Latch
が推測されないようにしてください。
Verilog HDL デザインで full_case 属性を使用すると、指定されてい
ない case を don’t care 値(X)として扱うことができます。ただし、
full_case 属性を使用すると、シミュレーションのミスマッチが生じ
る可能性があります。この属性は合成専用属性であり、シミュレーショ
ン・ツールは指定されていない case を Latch として扱うためです。
合成ツールでの属性の使用について詳しくは、
「Quartus II ハンドブック
Volume 1」の「合成」セクションの該当する章を参照してください。
「Quartus II 合成機能」の章には、可能性のあるシミュレーションのミス
マッチを説明した例が記載されています。
IF 文または CASE 文の最後の ELSE 句または WHEN OTHERS 句を省略し
ても、Latch が生成される可能性があります。デフォルト条件の Don’t
care(X)アサインメントは、Latch の生成を防止するのに有効です。最
高のロジック最適化を達成するには、デフォルトの CASE または最終的
な ELSE 値を、
ロジック値ではなく don’t care
(X)
に割り当ててください。
例 6–32 に示す VHDL サンプル・コードでは、意図しない Latch 生成が
防止されます。最後の ELSE 句を省略すると、このコードでは sel 入力
の残りの組み合わせに対応する意図しない Latch が作成されます。この
コードで Stratix デバイスをターゲットにする場合、最後の ELSE 条件を
省略すると、合成ソフトウェアは最大 6 つの LE を使用してしまいます
が、ELSE 文を使用すれば 3 つで済みます。また、ELSE 文で X の値を割
り当てる代わりに 1 を割り当てると、合成ソフトウェアは don’t care 値
の指定により、より良い最適化を実行できます。LE が増加することがあ
ります。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–43
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–32. 意図しない Latch 作成を防ぐ VHDL コード
LIBRARY ieee;
USE IEEE.std_logic_1164.all;
ENTITY nolatch IS
PORT (a,b,c: IN STD_LOGIC;
sel: IN STD_LOGIC_VECTOR (4 DOWNTO 0);
oput: OUT STD_LOGIC);
END nolatch;
ARCHITECTURE rtl OF nolatch IS
BEGIN
PROCESS (a,b,c,sel) BEGIN
IF sel = "00000" THEN
oput <= a;
ELSIF sel = "00001" THEN
oput <= b;
ELSIF sel = "00010" THEN
oput <= c;
ELSE
--- Prevents latch inference
oput <= ''X'; --/
END IF;
END PROCESS;
END rtl;
Latch の正しい推測
合成ツールは、一般に組み合わせループに関連した問題を含まない安全
な Latch を推測できます。
Quartus II 合成機能を使用する場合、ソフトウェアで推測される Latch
はコンパイル・レポートの User-Specified and Inferred Latches セクショ
ンで報告されます。このレポートには、その Latch が安全かどうか、タ
イミング・ハザードがないかどうかが示されます。
設計したデザインの Latch または組み合わせループが、User-Specified
and Inferred Latches レポートに記載されていない場合、ソフトウェア
によって安全な Latch として推測されておらず、グリッチ・フリーと見
なされていないことを意味します。
Compilation Report の Analysis & Synthesis Logic Cells Representing
Combinational Loops テーブルにリストされるすべての組み合わせルー
プは、タイミング・ハザードが危険な状態にあります。これらのエント
リは、調査が必要なデザインの問題があることを示しています。ただし、
組み合わせループを含む正しいデザインを作成することは可能です。例
えば、組み合わせループを非センシティブにすることは可能です。これ
はハードウェア中に存在する経路について、設計者はその経路をアク
ティブにするデータが回路に発生することがないこと、あるいはデータ
6–44
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
入力には関係なく、その経路がセンシティブになるのを防止する相互排
他的な方法で周辺ロジックがセットアップされていることを把握してい
ます。
MAX® 7000AE および MAX 3000A などのマクロセル・ベースのデバイ
スの場合、Analysis & Synthesis User-Specified and Inferred Latches
テーブルにリストされているすべての data(D 型)Latch と set-reset(SR)Latch が、グリッチなどのタイミング・ハザードなしで実装されてい
ます。グリッチの発生を防ぐ補正項が実装され、1 つのマクロセルによ
りフィードバック・ループが形成されます。
Stratix デバイス、Cyclone シリーズ、および MAX II デバイスなどの 4
入力 LUT ベースのデバイスの場合、User-Specified and Inferred Latches
テーブルのフィードバック・ループに 1 つの LUT を持つすべての Latch
は、1 つの入力のみが変化するのであればタイミング・ハザードは生じ
ません。ある 1 つの入力が変化しても同じ出力値になるのであれば、出
力にはグリッチが発生しないという LUT の性質があるためです。例え
ば、イネーブル入力が非アクティブのときに D 型入力がトグルしたり、
または優先順位の高いリセット入力がアクティブのときに set 入力がト
グルする場合です。LUT のこのハードウェア動作は、1 つの LUT のみで
構 成 さ れ た ル ー プ に は 補 正 項 が 不 要 で あ る こ と を 意 味 し ま す。
Quartus II ソフトウェアは、可能な場合は常にフィードバック・ループ
で 1 つの LUT を使用します。入力にフィードバックされる出力に加え
て、data、enable、set、reset 入力を備えた Latch は、1 つの 4 入力 LUT
には実装できません。入力が多すぎるため、Quartus II ソフトウェアが
1 つの LUT ループで Latch を実装できない場合は、User-Specified and
Inferred Latches テーブルに Latch にタイミング・ハザードがあること
が示されます。
Stratix II などの 6 入力 LUT ベースのデバイスの場合、1 つのアダプティ
ブ・ルック・アップ・テーブル(ALUT)で、組み合わせループ内にす
べての Latch 入力を実装できます。したがって、User-Specified and
Inferred Latches テーブルのすべての Latch では、1 つの入力のみが変化
するのであればタイミング・ハザードはありません。
ハザードのない動作を確実にするために、同時に変更できるのは 1 つの
コントロール入力のみです。Set と reset を同時にデアサートするなど、
2 つの入力を同時に変更したり、または data と enable を同時に変更す
ると、Latch は不正な動作を行います。
Quartus II 合成機能では、Verilog HDL の always ブロック、および
VHDL の process 文から Latch が推測されますが、Verilog HDL での
連続アサインメントやVHDLの同時信号アサインメントからは推測され
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–45
Quartus II ハンドブック Volume 1
ません。これらのルールはレジスタの推測の場合と同じです。レジスタ
またはフリップフロップは、always ブロックおよび process 文から推測
されます。以下の例では Latch が推測されます。
Verilog HDL set-reset Latch の例
例 6–33 に示す Verilog HDL コードのサンプルでは、Quartus II ソフト
ウェアで S-R Latch が正しく推測されます。
例 6–33. Verilog HDL set-reset Latch
module simple_latch (
input SetTerm,
input ResetTerm,
output reg LatchOut
);
always @ (SetTerm or ResetTerm) begin
if (SetTerm)
LatchOut = 1'b1;
else if (ResetTerm)
LatchOut = 1'b0;
end
endmodule
HDL Data 型 Latch の例
例 6–34 に示す VHDL コードのサンプルでは、Quartus II ソフトウェア
で D 型 Latch が正しく推測されます。
例 6–34. HDL Data 型 Latch
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.std_logic_1164.all;
ENTITY simple_latch IS
PORT (
enable, data
: IN STD_LOGIC;
q
: OUT STD_LOGIC
);
END simple_latch;
ARCHITECTURE rtl OF simple_latch IS
BEGIN
latch : PROCESS (enable, data)
BEGIN
IF (enable = '1') THEN
q <= data;
END IF;
END PROCESS latch;
END rtl;
6–46
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
以下の例は、Quartus II ソフトウェアで Latch が推測されない Verilog
HDL の連続アサインメントを示します。動作は Latch に類似しています
が、Latch としては正しく機能しない場合があり、Latch としてのタイミ
ング解析は行われません。
assign latch_out = en ? data : latch_out;
Quartus II 合成機能では、lpm_latch メガファンクションのインスタン
ス化が可能な場合は安全な Latch を作成します。このメガファンクショ
ンを使用して、data、enable、set、reset の各入力を組み合わせて Latch
を作成します。安全な Latch を作成する場合、HDL コードから Latch を
推測する場合と同じ制限が適用されます。
アルテラのlpm_latchファンクションを別の合成ツールで推測すると、
この実装も Quartus II ソフトウェアは Latch として認識します。サード
パーティ合成ツールで、lpm_latch メガファンクションを使用して
Latch を実装する場合、Quartus II 合成機能では、HDL ソース・コード
で作成された Latch がリストされるのと同様に、User-Specified and
Inferred Latches テーブルに Latch がリストされます。lpm_latch 実装
の生成に必要なコーディング・スタイルは、使用する合成ツールによっ
て異なります。サードパーティ合成ツールによっては、推測された
lpm_latch ファンクション数をリストする場合があります。
Quartus II 合成 機能 によ って Latch が User-Specified and Inferred
Latches テーブルにリストされ、Analysis & Synthesis で安全な Latch と
して実装される場合、フィッタでのフィジカル・シンセシス・ネットリ
ストの最適化により、ハザードのない性能が維持されます。
LUT ベースのファミリの場合、フィッタは Analysis & Synthesis で Latch
イネーブルとして識別される信号を含むコントロール信号に対して、グ
ローバル配線を使用します。場合によっては、グローバル挿入遅延によ
り、タ イ ミ ン グ 性 能 が 低 下 す る こ と が あ り ま す。必 要 で あ れ ば、
Quartus II の Global Signal ロジック・オプションをオフにして、手動
でグローバル信号の使用を防ぐことができます。
グローバルLatchイネー
ブルは、コンパイル・レポートの Global & Other Fast Signals テーブル
にリストされます。
ステート・マシン
合成ツールは、Verilog HDL と VHDL のステート・マシンを認識し、エ
ンコードできます。この項では、ステート・マシンを使用する場合に最
高の結果を得るためのガイドラインを示します。
合成ツールが HDL コー
ドをステート・マシンとして認識できるようにすると、ツールによる状
態変数の再コーディングが可能になり、結果の品質が向上します。また、
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–47
Quartus II ハンドブック Volume 1
ツールでステート・マシンのプロパティを使用できるようになり、デザ
インの他の部分が最適化されます。合成でステート・マシンが認識され
るとき、多くの場合はデザインの面積と性能を改善できます。
最高の結果を達成するために、合成ツールは FPGA デバイスには onehot エンコーディングを、CPLD デバイスには minimal-bit エンコーディ
ングを使用することがよくあります。ただし、実装の選択はステート・
マシンやデバイスごとに異なります。ステート・マシンのエンコーディ
ング方法を制御する具体的な方法については、使用する合成ツールのマ
ニュアルを参照してください。
Quartus II 合成機能でのステート・マシンのエンコーディングについて
詳しくは、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「Quartus II Integrated
Synthesis」の章にある「State Machine Processing」の項を参照してくだ
さい。
ステート・マシンの適切な認識と推測を確実にし、結果の品質の向上さ
せるために、アルテラでは Verilog HDL および VHDL の両方に適用さ
れる以下のガイドラインに従うことを推奨しています。
■
合成で不要な Latch が生成されないように、ステート・マシンから得
られた出力にデフォルト値を割り当ててください。
■ 出力値の割り当てを含むすべての演算ファンクションおよびデータ・
パスから、ステート・マシンのロジックを切り離します。
■ デザインに複数の状態で使用される演算が含まれる場合、ステート・
マシン外部での演算を定義し、ステート・マシンの出力ロジックで
この値が使用されるようにします。
■ シンプルな非同期または同期リセットを使用して、定義済みのパ
ワーアップ状態にします。ステート・マシンのデザインに、非同期
リセットと非同期ロードの両方が存在するなど、より込み入ったリ
セット・ロジックが含まれる場合、Quartus II ソフトウェアはステー
ト・マシンを推測しないで、通常のロジックを生成します。
デバイスに問題があるためステート・マシンが不正な状態に移行した場
合、ステート・マシンが次にリセットされるまで、デザインの正しい機
能が停止する可能性があります。デフォルトでは、合成ツールはこのよ
うな状況への対処を提供しません。
システムに何らかの障害がある場合、
ステート・マシン以外の他のレジスタでも同様の問題が発生します。
default または when others 句を指定しても、デザインが意図的に
この状態に移行しない場合は、この動作には影響しません。デフォルト・
ステートにより生成されたロジックは、
合成ツールにより削除されます。
合成ツールによっては、default case が存在しない場合はそれを挿入し、
不正な状態を処理するデザインのロジックを保持する安全なステート・
マシンを実装するオプションを提供するものがあります。ステート・マ
6–48
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
シンが何らかの理由で不正な状態に移行した場合、次のクロック・エッ
ジでリセット状態に戻ります。当然ながら、このオプションではステー
ト・マシンのみが保護され、この方法ではデザインの他のすべてのレジ
スタは保護されません。
ステート・マシンを実装するためのツール固有のオプションについて詳
しくは、ツール・ベンダのマニュアルか、「Quartus II ハンドブック
Volume 1」の「合成」セクションの該当する章を参照してください。
以下の「Verilog HDL ステート・マシン」および「VHDL ステート・マ
シン」の 2 つの項では、言語別ガイドラインとコーディング例を説明し
ます。
Verilog HDL ステート・マシン
Verilog HDL ステート・マシンを適切に認識および推測するために、以
下の Verilog HDL の補足ガイドラインに従ってください。これらのガイ
ドラインの一部は、Quartus II 合成機能のみ対象としています。具体的
なコーディングの推奨事項については、使用する合成ツールのマニュア
ルを参照してください。
■
SystemVerilog 規格を使用する場合は、列挙型を使用してステート・
マシンを記述します(6–52 ページの「SystemVerilog ステート・マ
シンのコーディング例」を参照)
。
■ ステート・マシンの状態を、Verilog-1995 および-2001 の parameter
データ型で表し、パラメータを使用してステート・アサインメント
を作成します、
(以下の「Verilog HDL ステート・マシンのコーディ
ング例」を参照)。この実装によりステート・マシンを読みやすくな
り、コーディング時にエラーが発生するリスクが低減されます。
アルテラでは、next_state <= 0 など、状態変数に整数値を
直接使用しないこと推奨しています。ただし、整数を使用し
ても Quartus II ソフトウェアで推測が防止されることはあり
ません。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–49
Quartus II ハンドブック Volume 1
■
状態遷移ロジックにおいて以下の例のように算術演算が使用された
場合、Quartus II ソフトウェアではステート・マシンは推測されませ
ん。
case (state)
0: begin
if (ena) next_state <= state + 2;
else next_state <= state + 1;
end
1: begin
...
endcase
■
状態変数が出力となる場合、Quartus II ソフトウェアではステート・
マシンは推測されません。
Verilog HDL ステート・マシンのコーディング例
以下のモジュール verilog_fsm は、標準的な Verilog HDL ステート・
マシンの実装の例です。
このステート・マシンには 5 つの状態があります。非同期リセットは変
数ステートを state_0 に設定します。in1 と in2 の和は、state_1 と
state_2 のステート・マシンの出力になります。差(in1 - in2)も
state_1 と state_2 で使 用さ れま す。一時 変数 tmp_out_0 と
tmp_out_1 は、in1 と in2 の和と差を保存します。これらの一時変数
をステート・マシンのさまざまな状態で使用すると、相互排他的状態間
でリソース共有が適切に行われます。
例 6–35. Verilog-2001 ステート・マシン
module verilog_fsm (clk, reset, in_1, in_2, out);
input clk;
input reset;
input [3:0] in_1;
input [3:0] in_2;output [4:0] out;
parameter state_0 = 3'b000;
parameter state_1 = 3'b001;
parameter state_2 = 3'b010;
parameter state_3 = 3'b011;
parameter state_4 = 3'b100;
reg [4:0] tmp_out_0, tmp_out_1, tmp_out_2;
reg [2:0] state, next_state;
always @ (posedge clk or posedge reset)
begin
if (reset)
state <= state_0;
else
state <= next_state;
6–50
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
end
always @ (state or in_1 or in_2)
begin
tmp_out_0 = in_1 + in_2;
tmp_out_1 = in_1 - in_2;
case (state)
state_0: begin
tmp_out_2 <= in_1 + 5'b00001;
next_state <= state_1;
end
state_1: begin
if (in_1 < in_2) begin
next_state <= state_2;
tmp_out_2 <= tmp_out_0;
end
else begin
next_state <= state_3;
tmp_out_2 <= tmp_out_1;
end
end
state_2: begin
tmp_out_2 <= tmp_out_0 - 5'b00001;
next_state <= state_3;
end
state_3: begin
tmp_out_2 <= tmp_out_1 + 5'b00001;
next_state <= state_0;
end
state_4:begin
tmp_out_2 <= in_2 + 5'b00001;
next_state <= state_0;
end
default:begin
tmp_out_2 <= 5'b00000;
next_state <= state_0;
end
endcase
end
assign out = tmp_out_2;
endmodule
このステート・マシンの同等の実装は、以下のように、parameter デー
タ型の代わりに ‘define を使用すると達成できます。
‘define
‘define
‘define
‘define
‘define
state_0
state_1
state_2
state_3
state_4
3'b000
3'b001
3'b010
3'b011
3'b100
このケースでは、state アサインメントと next_state アサインメン
トには、以下の例に示すように state_x ではなく ‘state_x が割り当
てられます。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–51
Quartus II ハンドブック Volume 1
next_state <= ‘state_3;
‘define 構造がサポートされていますが、Parameter データ・タ
イプを使用すると合成を通じて状態名が維持されるため、アルテ
ラではこのパラメータの使用を強く推奨しています。
SystemVerilog ステート・マシンのコーディング例
例 6–36 に示すモジュール enum_fsm は、列挙型を使用する System
Verilog ステート・マシンの実装例です。アルテラでは、このコーディン
グ・スタイルを使用して SystemVerilog のステート・マシンを記述する
ことを推奨しています。
Quartus II 合成機能では、ステート・マシンの状態を定義する列
挙型は、例 6–36 に示すように符号なし整数型でなければなりま
せん。列挙型を int unsigned として指定しない場合、デフォル
トで符号付き int 型が使用されます。このケースでは、
Quartus II
合成機能はデザインを合成しますが、ステート・マシンを認識し
たり、推測することはありません。
6–52
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
例 6–36. 列挙型を使用する SystemVerilog ステート・マシン
module enum_fsm (input clk, reset, input int data[3:0], output int o);
enum int unsigned { S0 = 0, S1 = 2, S2 = 4, S3 = 8 } state, next_state;
always_comb begin :
next_state = S0;
case(state)
S0: next_state
S1: next_state
S2: next_state
S3: next_state
endcase
end
next_state_logic
=
=
=
=
S1;
S2;
S3;
S3;
always_comb begin
case(state)
S0: o = data[3];
S1: o = data[2];
S2: o = data[1];
S3: o = data[0];
endcase
end
[email protected](posedge clk or negedge reset) begin
if(~reset)
state <= S0;
else
state <= next_state;
end
endmodule
VHDL ステート・マシン
VHDL ステート・マシンが正しく認識および推測されるように、ステー
ト・マシンの状態は列挙型で表し、対応する型を使用してステート・ア
サインメントを実行します。この実装によりステート・マシンを読みや
すくなり、コーディング時にエラーが発生するリスクが低減されます。
状態が列挙型で表されていない場合、合成ソフトウェア(Quartus II 合
成機能など)はステート・マシンを認識しません。代わりに、ステート・
マシンは通常のロジック・ゲートおよびレジスタとして実装され、ステー
ト・マシンは Compilation Report の Analysis & Synthesis セクション
にステート・マシンとしてリストされません。
VHDL ステート・マシンのコーディング例
以下のエンティティ vhd1_fsm は、VHDL の通常のステート・マシンの
実装例です。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–53
Quartus II ハンドブック Volume 1
このステート・マシンには 5 つの状態があります。非同期リセットは変
数状態を state_0 に設定します。in1 と in2 の和は、state_1 と
state_2 のステート・マシンの出力になります。差(in1 - in2)も
state_1 と state_2 で使 用さ れま す。一時 変数 tmp_out_0 と
tmp_out_1 は、in1 と in2 の和と差を保存します。これらの一時変数
をステート・マシンのさまざまな状態で使用すると、相互排他的状態間
でリソース共有が適切に行われます。
例 6–37. VHDL ステート・マシン
LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.all;
USE ieee.numeric_std.all;
ENTITY vhdl_fsm IS
PORT(
clk: IN STD_LOGIC;
reset: IN STD_LOGIC;
in1: IN UNSIGNED(4 downto 0);
in2: IN UNSIGNED(4 downto 0);
out_1: OUT UNSIGNED(4 downto 0)
);
END vhdl_fsm;
ARCHITECTURE rtl OF vhdl_fsm IS
TYPE Tstate IS (state_0, state_1, state_2, state_3, state_4);
SIGNAL state: Tstate;
SIGNAL next_state: Tstate;
BEGIN
PROCESS(clk, reset)
BEGIN
IF reset = '1' THEN
state <=state_0;
ELSIF rising_edge(clk) THEN
state <= next_state;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (state, in1, in2)
VARIABLE tmp_out_0: UNSIGNED (4 downto 0);
VARIABLE tmp_out_1: UNSIGNED (4 downto 0);
BEGIN
tmp_out_0 := in1 + in2;
tmp_out_1 := in1 - in2;
CASE state IS
WHEN state_0 =>
out_1 <= in1;
next_state <= state_1;
WHEN state_1 =>
IF (in1 < in2) then
next_state <= state_2;
out_1 <= tmp_out_0;
ELSE
next_state <= state_3;
out_1 <= tmp_out_1;
END IF;
6–54
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
WHEN state_2 =>
IF (in1 < "0100") then
out_1 <= tmp_out_0;
ELSE
out_1 <= tmp_out_1;
END IF;
next_state <= state_3;
WHEN state_3 =>
out_1 <= "11111";
next_state <= state_4;
WHEN state_4 =>
out_1 <= in2;
next_state <= state_0;
WHEN OTHERS =>
out_1 <= "00000";
next_state <= state_0;
END CASE;
END PROCESS;
END rtl;
マルチプレクサ
多くの FPGA デザインで、マルチプレクサはロジック利用の大きな部分
を占めます。マルチプレクサ・ロジックを最適化すると、アルテラ・デ
バイスに最も効率的に実装することができます。この項では一般的な問
題に対処し、マルチプレクサ・デザインに対して最適なリソース利用を
実現するためのデザイン・ガイドラインを示しています。また各種のマ
ルチプレクサ、およびアルテラの Stratix デバイスなど、多くの FPGA
アーキテクチャで使用されている 4 入力 LUT へのマルチプレクサの実装
方法について説明します。
Stratix II デバイスでは 6 入力 LUT が使用されますが、ここでは
特に説明しません。最適化の原理と手法の多くは類似しています
が、Stratix II の 6 入力 LUT デバイスではデバイス利用が異なり
ます。例えば、Stratix II デバイスは、LE の 4 入力 LUT に実装さ
れるものより幅の広いマルチプレクサを 1 つの ALM に実装でき
ます。
マルチプレクサのタイプ
この最初の項では、さまざまなタイプの HDL コードからマルチプレク
サを作成する方法を説明します。CASE 文、IF 文、およびステート・マ
シンはすべて、デザインでのマルチプレクサ・ロジックの共通のソース
になります。これらの HDL 構造から、バイナリ・マルチプレクサ、セ
レクタ・マルチプレクサ、プライオリティ・マルチプレクサなど、さま
ざまなタイプのマルチプレクサが作成されます。HDL コードからのマル
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–55
Quartus II ハンドブック Volume 1
チプレクサの作成方法および合成時の実装方法を理解することが、マル
チプレクサ構造を最適化し最良の結果を得るための最初の一歩になりま
す。
バイナリ・マルチプレクサ
バイナリ・マルチプレクサは、バイナリ・エンコード選択ビットに基づ
いて入力を選択します。以下の「Verilog HDL バイナリ・エンコード
Case 文」の例は、
簡単な 4:1 バイナリ・マルチプレクサを記述する Verilog
HDL コードを示しています。
例 6–38. Verilog HDL バイナリ・エンコード Case 文
case (sel)
2'b00: z
2'b01: z
2'b10: z
2'b11: z
endcase
=
=
=
=
a;
b;
c;
d;
4:1 バイナリ・マルチプレクサは、2 つの 4 入力 LUT を使用すると効率
的に実装されます。4:1 マルチプレクサを使用する大規模なバイナリ・マ
ルチプレクサを構築できます。4:1 マルチプレクサのツリーから N 入力
マルチプレクサ(N:1 マルチプレクサ)を構築すると、わずか 0.66*(N - 1)
の LUT を使用した構造となります。
セレクタ・マルチプレクサ
セレクタ・マルチプレクサには、各データ入力に個別の選択ラインがあ
ります。マルチプレクサの選択ラインは、one-hot エンコードされます。
以下の「Verilog HDL one-hot エンコード Case 文」の例には、one-hot
セレクタ・マルチプレクサを記述する簡単な Verilog HDL コードの例を
示しています。
例 6–39. Verilog HDL one-hot エンコード Case 文
case (sel)
4'b0001:
4'b0010:
4'b0100:
4'b1000:
default:
endcase
z
z
z
z
z
=
=
=
=
=
a;
b;
c;
d;
1'bx;
セレクタ・マルチプレクサは、AND ゲートと OR ゲートのツリーとして
一般に構築されます。この方式を使用すると、2 つの AND ゲートと 1 つ
の OR ゲートを使用する 1 つの 4 入力 LUT の 2 本の選択ラインを使用し
6–56
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
て、2 つの入力を選択できます。これらの LUT の出力は、ワイド OR ゲー
トと組み合わせることができます。この構造の N-入力セレクタ・マルチ
プレクサには、最低でも 0.66*(N-0.5)の LUT が必要です。これは最良
のバイナリ・マルチプレクサよりもわずかに多くなります。
プライオリティ・マルチプレクサ
プライオリティ・マルチプレクサでは、選択ロジックが優先順位を示し
ます。信号の優先順位に基づく特定の順序で、正しい項目を選択するオ
プションをチェックする必要があります。これらの構造は一般に、VHDL
または Verilog HDL の IF、ELSE、WHEN、SELECT または ?: 文から作
成されます。
「優先順位を示す VHDL IF 文」の項の VHDL コード例は、
図 6-2 に示すような回路図を実装します。
例 6–40. 優先順位を示す VHDL IF 文
IF cond1 THEN z <= a;
ELSIF cond2 THEN z <= b;
ELSIF cond3 THEN z <= c;
ELSE z <= d;
END IF;
図 6-2 に示すマルチプレクサは、チェインを形成し、各条件または選択
ビットを一度に 1 つずつ評価します。
図 6-2. IF 文のプライオリティ・マルチプレクサの実装
c
cond3
1
d
0
b
cond2
1
0
a
cond1
1
0
z
N-入力プライオリティ・マルチプレクサは、チェイン内の 2:1 マルチプ
レクサごとに 1 つの LUT を使用するため、N-1 の LUT を必要とします。
マルチプレクサのこのチェインにより一般に遅延が増加します。これは
ロジックを通過するクリティカル・パスがチェイン内のすべてのマルチ
プレクサを横断しているためです。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–57
Quartus II ハンドブック Volume 1
マルチプレクサのタイミング遅延を改善するために、優先順位が要求さ
れない場合はプライオリティ・マルチプレクサの使用を回避してくださ
い。デザインで選択順序が重要ではない場合は、CASE 文を使用して、プ
ライオリティ・マルチプレクサの代わりに、バイナリまたはセレクタ・
マルチプレクサを実装します。優先順位を要求する多重化デザインで、
構造全体での遅延が重要な場合は、デザインを再コーディングしてロ
ジック・レベル数を減らし、特にクリティカル・パスに沿った遅延を最
小化することを検討してください。
デフォルトまたはその他の Case アサインメント
CASE 文で case を完全に指定するには、DEFAULT(Verilog HDL)アサ
インメントまたは OTHERS(VHDL)アサインメントを含めます。この
アサインメントは、選択ラインの多くの組み合わせが未使用の one-hot
エンコーディング方式で特に重要になります。未使用の選択ラインの組
み合わせに case を指定し、合成ツールにこれらの case の合成方法の情
報を提供してください。これは Verilog HDL および VHDL 言語仕様で
要求されます。
デザインによっては、主に設計者がこれらの case が起こらないと想定す
るという理由から、未使用 case の結果を考慮する必要がない場合があり
ます。これらのタイプのデザインでは、DEFAULT アサインメントまたは
OTHERS アサインメントに任意の値を選択できます。ただし、選択する
アサインメント値がデザインの実装に必要なロジック利用率に大きく影
響する可能性があることに注意してください。これはアサインメントの
値ごとに合成ツールの処理方法が異なり、また速度および面積の最適化
方法が異なるためです。
一般に、最良の結果を得るには、無効な case を定義済みの case の 1 つ
と組み合わせるのではなく、無効な CASE 選択を単独の DEFAULT 文ま
たは OTHERS 文で明示的に定義します。
無効な case の値が重要でない場合は、X(don’t care)ロジック値を割り
当てることによって、無効な case を明示的に指定します。このアサイン
メントにより、合成ツールで最良の面積の最適化を実行できます。
HDL デザインおよび合成ツールに異なる DEFAULT または OTHERS アサ
インメントを使って実験し、デザインのロジック利用に及ぼす影響をテ
ストできます。
6–58
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
暗黙のデフォルト
Verilog HDL および VHDL の IF 文は、CASE 型では容易に対応できな
い条件を指定する便利な方法といえます。ただし、IF 文を使用すると、
マルチプレクサ・ツリーが複雑になって、容易に合成ツールで最適化で
きなくなります。
特に、すべての IF 文に、指定されていない場合でも、暗黙の ELSE 条
件が指定されます。これらの暗黙のデフォルトにより、多重化デザイン
では一層複雑になる可能性があります。
「暗黙のデフォルトの VHDL IF 文」の以下のコードの例では、4 入力(a、
b、c、d)と 1 出力(z)のマルチプレクサを示しています。
例 6–41. 暗黙のデフォルトの VHDL IF 文
IF cond1 THEN
IF cond2 THEN
z <= a;
END IF;
ELSIF cond3 THEN
IF cond4 THEN
z <= b;
ELSIF cond5 THEN
z <= c;
END IF;
ELSIF cond6 THEN
z <= d;
END IF;
このコードは 4:1 マルチプレクサを実装しているようですが、コード内
の 3 つの IF 文のそれぞれには、指定されていない暗黙の ELSE 条件が
含まれています。ELSE case の出力値が指定されていないため、合成ツー
ルはこれらのcaseに対して同じ出力値を維持することが意図されている
と仮定します。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–59
Quartus II ハンドブック Volume 1
例 6–42 に示すコード・サンプルには、例 6–41 に示すコードと同じ機能
を持つコードが示されていますが、ELSE case を明示的に指定していま
す。
例 6–42. デフォルト条件を明示的に指定した VHDL IF 文
IF cond1 THEN
IF cond2 THEN
z <= a;
ELSE
z <= z;
END IF;
ELSIF cond3 THEN
IF cond4 THEN
z <= b;
ELSIF cond5 THEN
z <= c;
ELSE
z <= z;
END IF;
ELSIF cond6 THEN
z <= d;
ELSE
z <= z;
END IF;
図 6-3 は例 6–42 のコードを表す回路図です。4 つの入力しかありません
が、マルチプレクサ・ロジックが基本の 4:1 マルチプレクサよりもかな
り複雑であることを示しています。
図 6-3. 暗黙のデフォルトでの IF 文のマルチプレクサ実装
z
c
0
cond5
1
d
b
cond6
0
cond4
z
cond2
0
1
a
cond3
0
1
z
1
0
1
cond1
1
0
z
6–60
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
多重化ロジックを簡略化し、不要なデフォルトを削除できる方法がいく
つかあります。最適な方法は、ロジックが 4:1 CASE 文の構造を使用する
ようにデザインを再コーディングすることです。あるいは、優先順位が
重要な場合、コードを再構築してデフォルトの case を推測し、マルチプ
レクサをフラット化することができます。この例では、IF cond1 THEN
IF cond2 の代わりに、同じ機能を実行する IF(cond1 AND cond2)を
使用してください。また、デフォルトが don’t care case かどうかを確認
します。この例では、他に有効な case が起こらなければ、最後の ELSIF
cond6 文を ELSE 文に変更することができます。
マルチプレクサ・ロジック内の不要なデフォルト条件をなくすことで、
デザインの実装を簡単にし、
ロジック利用率を低減することができます。
縮退マルチプレクサ
縮退マルチプレクサは、可能性のある case のすべてが固有のデータ入力
に使用されていないマルチプレクサです。不要な case は、これらのマル
チプレクサのロジック利用の効率低下の原因になる傾向があります。
degenerate マルチプレクサが、完全なバイナリ・マルチプレクサで効率
的なロジック利用を行えるように、このマルチプレクサを再コーディン
グできます。
バイナリ・マルチプレクサの選択ライン数によって通常、希望の機能を
実装するのに必要なマルチプレクサのサイズが決まります。例えば、
図 6-4 に示すマルチプレクサ構造には、16 入力を備えたバイナリ・マル
チプレクサを実装可能な 4 本の選択ラインがあります。しかし、このデ
ザインは 16 入力をすべて使用しておらず、このマルチプレクサは 16:1
縮退マルチプレクサになります。
例 6–43. 縮退マルチプレクサを記述する VHDL CASE 文
CASE sel[3:0] IS
WHEN "0101" =>
WHEN "0111" =>
WHEN "1010" =>
WHEN OTHERS =>
END CASE;
Altera Corporation
2006 年 5 月
z
z
z
z
<=
<=
<=
<=
a;
b;
c;
d;
6–61
Quartus II ハンドブック Volume 1
図 6-4. バイナリ縮退マルチプレクサ
a
b
c
d
sel[1:0]
"01xx"
"10xx"
"00xx"
"11xx"
sel[3:2]
Binary mux
z
図 6-4 の例では、トップ・レベルの 1 番目と 4 番目のマルチプレクサを
容易になくすことができます。これは各マルチプレクサの 4 入力がすべ
て同じ値であり、図 6-5 に示すように、他のマルチプレクサの入力数を
減らすことができるためです。
図 6-5. 縮退バイナリ・マルチプレクサの最適化バージョン
a
b
c
3:1
sel[1:0]
2:1
"01xx"
"10xx"
"11xx"
"00xx"
sel[3:2]
d
3:1
z
このバージョンのマルチプレクサを実装する場合、残りの 3:1 マルチプ
レクサのそれぞれに 2 個ずつ、2:1 マルチプレクサに 1 個と最低でも 5 個
の 4 入力 LUT が必要になります。このデサインは 4 入力からのみ出力を
選択します。4:1 バイナリ・マルチプレクサでは、最適に実装できるのは
2 個の LUT なので、この縮退マルチプレクサ・ツリーではロジックの効
率が低下します。
この構造のロジック利用率は、完全な 4:1 バイナリ・マルチプレクサを
実装できるように選択ラインを再コーディングすることによって改善で
きます。例 6–44 のコード・サンプルは、オリジナルの選択ラインをバイ
ナリ・エンコーディングにより 1 つの z_sel に変換するレコーダ・デザ
インを示しています。
6–62
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
例 6–44. 縮退バイナリ・マルチプレクサ用 VHDL レコーダ・デザイン
CASE sel[3:0] IS
WHEN "0101" =>
WHEN "0111" =>
WHEN "1010" =>
WHEN OTHERS =>
END CASE;
z_sel
z_sel
z_sel
z_sel
<=
<=
<=
<=
"00";
"01";
"10";
"11";
例 6–45 のコード・サンプルに、完全なバイナリ・マルチプレクサの実装
方法を示します。
例 6–45. VHDL4:1 バイナリ・マルチプレクサ・デザイン
CASE z_sel[1:0]
WHEN "00" =>
WHEN "01" =>
WHEN "10" =>
WHEN "11" =>
END CASE;
IS
z <=
z <=
z <=
z <=
a;
b;
c;
d;
レコーダ・デザインの新しい z_sel コントロール信号を使用して、4 つ
の入力 a、b、c、d のいずれかを選択する 4:1 バイナリ・マルチプレクサ
を制御します(図 6-6 を参照)。選択ラインの複雑さは Recoder デザイン
で処理され、データ・マルチプレクシングは最も効率的な実装を可能に
する、シンプルなバイナリ選択ラインで実行されます。
図 6-6. Recoder によるバイナリ・マルチプレクサ
sel[3:0]
a
b
c
d
Recoder
4:1
z_sel[1:0]
z
このレコーダのデザインは 2 つの LUT に実装でき、また効率的な 4:1 バ
イナリ・マルチプレクサが 2 つの LUT を使用するため、LUT の合計は
4 つになります。オリジナルの縮退マルチプレクサは 5 つの LUT を要求
していました。このため、再コーディング・バージョンで使用するロジッ
クはオリジナルよりも 20% 少なくなります。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–63
Quartus II ハンドブック Volume 1
マルチプレクサのロジック利用率は、選択ラインを完全なバイナリ case
に再コーディングすると改善されることがよくあります。エンコーディ
ングを実行するためのロジックが必要ですが、多くの場合は全体的なロ
ジック利用率が改善されます。
マルチプレクサのバス
多くの場合、マルチプレクサの入力は、一連のデータ入力バスで同じマ
ルチプレクサ機能が実行されるデータ入力バスです。このようなケース
では、マルチプレクサの非効率性はバスのビット数で乗算されます。上
記の項で説明した問題は、ワイド・マルチプレクサ・バスの場合はより
重要になります。
例えば、選択ラインを上記の項で詳述した完全なバイナリ case に再コー
ディングする方法は、多重化バスでよく使用されます。選択ラインの再
コーディングは、バスのすべてのマルチプレクサに対して 1 回のみ実行
する必要があります。バスのすべてのビットが Recoder ロジックを共有
するため、
マルチプレクサのバスのロジック効率を大幅に改善できます。
上記の項にある縮退マルチプレクサは、
実装に 5 つの LUT を必要としま
す。入力と出力が 32 ビット幅の場合、ファンクションはバス全体で 32
× 5 または 160 の LUT を必要とします。
このレコーダ・デザインは 2 つの
LUT を使用しており、全体のバスに対して選択ラインを 1 回のみ再コー
ディングする必要があります。4:1 バイナリ・マルチプレクサは、バスの
ビットあたり 2 つの LE を必要とします。再コーディングしたバージョ
ンの合計ロジック利用は、オリジナル・バージョンの 160 LUT と比べた
場合、バス全体で 2 + (2 × 32) または 66 の LUT になります。ワイド・マ
ルチプレクサ・バスでは、ロジックの節約がより重要になります。
縮退マルチプレクサを最適化する手法の使用、不要な暗黙のデフォルト
の削除、最適な DEFAULT または OTHERS case の選択は、マルチプレク
サのバスを最適化するときに重要な役割を果たす場合があります。
Quartus IIソフトウェアのマルチプレクサ再構築のためのオプショ
ン
Quartus II 合成機能には、合成中にマルチプレクサのバスを抽出し、最
適化する Restructure Multiplexers ロジック・オプションがあります。
特定の状況では、このオプションにより、デザインの HDL コードを変
更しないで、説明した再コーディング機能の一部が自動的に実行されま
す。Optimization 手法が Balanced(ほとんどのデバイス・ファミリの
デフォルト)または Area に設定されている場合、デフォルトによって
このオプションはオンになります。
6–64
Altera Corporation
2006 年 5 月
その他の ロジック 構造の コーディング・ガイドライン
詳しくは、
「Quartus II ハンドブック Volume 1」の「Quartus II Integrated
Synthesis」の章の「Restructure Multiplexers 」項を参照してください。
CRC(Cyclic Redundancy Check)機能
CRC(Cyclic Redundancy Check)計算は、データの破損を検出するた
めに通信プロトコルおよびストレージ・デバイスで非常に多く使用され
ます。これらのファンクションは非常に効果的であり、破損したデータ
が 32 ビット CRC 検査に合格できる確率は非常に低いものです。
CRC 機能は、通常はワイド XOR ゲートを使用してデータを比較します。
合成ツールがこれらの XOR ゲートをフラット化および分解して、FPGA
LUT にロジックを実装する方法は、デザインの面積および性能の結果に
大きな影響を及ぼす可能性があります。XOR ゲートには莫大な数の妥当
なファクタリングの組み合わせを作成するキャンセレーション・プロパ
ティがあるため、合成ツールがデフォルトで常に最良の結果を選択でき
るとは限りません。
Stratix II デバイスの 6 入力 ALUT は、
これらのデザインでは 4 入力 LUT
よりも非常に有利です。CRC 処理を行うデザインは、Stratix II デバイス
において非常に高速で動作させることが可能です。
アルテラ・デバイスでの CRC デザインの結果の品質を向上させるには、
以下のガイドラインが役立ちます。
速度最適化による性能向上
合成ツールは XOR ゲートをフラット化し、面積とロジックのレベルの深
度を最小化します。Quartus II 合成機能などの合成ツールは、このよう
なロジック構造に対してはデフォルトで面積の最適化をターゲットにし
ています。したがって、深度の低減に的を絞るには、合成の最適化手法
を速度に設定します。
深度のフラット化によって、
面積が大幅に増加する場合があります。
カスケード・ステージの代わりに別の CRC ブロックを使用
一部の設計者は、CRC デザインを最適化し、8 ビットの 4 ステージなど
のカスケード・ステージを使用します。このようなデザインでは、デー
タ幅に応じて、また必要に応じて(8、24、または 32 ビット後の計算な
ど)中間計算が使用されます。このデザインは FPGA デバイスでは最適
ではありません。CRC デザインで実行できる XOR キャンセレーション
は、このファンクションでは最終結果を求めるのに、すべての中間計算
が必要ないことを意味します。したがって、中間計算の使用を強制する
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–65
Quartus II ハンドブック Volume 1
と、ファンクションの実装に必要な面積が増加し、またカスケード接続
のためにロジック深度も増加します。通常は、デザインで必要なデータ
幅ごとに完全に独立した CRC ブロックを作成し、次にそれらをまとめ
て多重化して、特定のタイミングで適切なモードを選択するのが得策で
す。
ブロックのマージを許可しないで独立した CRC ブロックを使用
合成ツールは、XOR ロジックでのファクタリング・オプションのため
に、通常は 2 つの異なる CRC ブロックでリソースを共有し、重複を抽
出することによって CRC デザインの最適化を試みる場合がよくありま
す。前述したとおり、CRC ロジックでは大幅な面積削減が行えますが、
各 CRC 機能を個別に最適化したときに有効に機能します。共通のデー
タ信号でドライブされる、または同じディスティネーション信号を供給
する複数の CRC 機能がある場合は、重複抽出をチェックします。
結果の品質に問題があり、2 つの CRC 機能がロジックを共有している場
合は、以下の方法のいずれかを使用して、ブロックが個別に合成される
ようにしてください。
■
各 CRC ブロックを独立したプロジェクトとして合成し、次に各 CRC
ブロックに対する個別の VQM または EDIF ネットリスト・ファイル
を書き出します。
●
Quartus II 合成機能を使用して VQM ファイルを作成するには、
Processing メニューで Start をクリックし、Start VQM Writer
をクリックします。
■ インクリメンタル・コンパイル・デザイン・フローでは、各 CRC ブ
ロックを独立したデザイン・パーティションとして定義します。
●
詳しくは、Quartus II ハンドブック、Volume 1 の階層ベースお
よびチーム・ベースのデザインのための Quartus II インクリメ
ンタル・コンパイルの章を参照してください。
■ 合成オプションを使用して、CRC ブロックの階層境界を維持します。
●
AssignmentsメニューでAssignment Editorをクリックします。
Preserve Hierarchical Boundary を Firm に設定します。
可能な場合はレイテンシを使用
デザインで CRC 機能を実装するために複数のサイクルを使用できる場
合、レジスタを追加しデザインをリ・タイミングすると、面積の縮小、
性能の改善、および消費電力の削減に役立つことがあります。合成ツー
ルにリ・タイミング機能(Quartus II ソフトウェアの Perform gate-level
register retiming オプションなど)がある場合、入力時に特別なレジス
6–66
Altera Corporation
2006 年 5 月
まとめ
タ・バンクを挿入し、リ・タイミング機能でレジスタを移動させて結果
を向上させることができます。また、1/2 幅の CRC ユニットを構築し、
各クロック・サイクルでデータの半分を切り替えることができます。
未使用時の CRC ブロックを無効にして消費電力を削減
CRC デザインは、入力に変化があると常にロジックがトグルするため、
ダイナミック消費電力が大幅に増加します。消費電力を節約するには、
CRC が必要とされないすべてのクロック・サイクルで、クロック・イ
ネーブルを使用して CRC 機能を無効にしてください。一部のデザイン
は、他のロジックの実行中には、数クロック・サイクルの間 CRC 結果
を検査しません。このような短時間でも、CRC 機能を無効にすることが
重要です。
デバイス同期ロード(sload)信号を使用した初期化
多くの CRC デザインでは、演算前にデータを 1 に初期化する必要があ
ります。ターゲット・デバイスが sload 信号の使用をサポートしている
場合は、演算前にそれを使用して、デザイン内のすべてのレジスタを 1
に設定する必要があります。sload 信号の使用を可能にするには、6–33
ページの「クリア & クロック・イネーブルなどのセカンダリ・レジス
タ・コントロール信号」の項で説明するコーディング・ガイドラインに
従ってください。タイミング・クロージャ・フロアプランまたはチップ・
エディタでレジスタの等価性を検査し、信号が予測どおりに使用されて
いることを確認します。
sload 信号を使用して、レジスタの実装を強制する必要がある場合、
「Introduction to Low-Level Primitives Design User Guide」
の説明に従っ
て、低レベル・デバイスのプリミティブを使用できます。
まとめ
コーディング・スタイルとメガファンクションの実装は、デザインの性
能に非常に大きな影響を及ぼす可能性があるため、デザイン・プロセス
の当初から、コーディング・スタイルをデバイス・アーキテクチャに合
わせることが重要です。デザインの性能および面積利用率を改善するに
は、この章で説明したコーディングの推奨事項に従って、メモリや DSP
ブロックなどの最新デバイス機能、およびターゲットとなるアルテラ・
デバイスのロジック・アーキテクチャを活用してください。
その他の最適化の推奨事項については、
「Quartus IIハンドブックVolume
2」の「Area & Timing Optimization」の章を参照してください。
Altera Corporation
2006 年 5 月
6–67
Quartus II ハンドブック Volume 1
6–68
Altera Corporation
2006 年 5 月
Fly UP