イネーブルベースのマルチサイクルパス制約を使用してタイミング要件を満たす

Simulink^® モデルに複数のサンプルレートが含まれている場合またはパイプラインレジスタを挿入する速度と面積の最適化を使用している場合、設計にマルチサイクルパスが含まれる可能性があります。マルチサイクルパスは FPGA クロックレートよりも遅いサンプルレートで動作する 2 つのレジスタ間のデータパスです。実行を完了するために複数のクロックサイクルを用います。クロックレートを設計内のさまざまなパスのサンプルレートに同期するために、単一クロックモードまたは複数クロックモードを使用できます。既定では、HDL Coder™ は最速のサンプルレートの単一の基本クロックを生成する単一クロックモードを使用し、マルチサイクルパスのクロックレートを制御するタイミングコントローラーエンティティを作成します。タイミングコントローラーは必要なレートと位相情報をもつ一連のクロックイネーブルを生成し、異なるサンプルレートで動作する Delay ブロックなどのシーケンシャル要素を制御します。

生成された HDL コードを合成する場合、合成ツールはマルチサイクルパスのタイミング要件を満たせない場合があります。タイミングの問題は、設計内のさまざまなサンプルレートを合成ツールが生成された HDL コードから推測できないために発生します。合成ツールは、設計内のレジスタは基本クロックレートで実行されるものと想定し、データが 1 クロックサイクル以内にレジスタ間を移動するよう要求します。しかし、マルチサイクルパスは 1 クロックサイクル以内に実行を完了する必要はないため、タイミング要件を満たすことができません。タイミング要件を満たすには、イネーブルベースのマルチサイクルパス制約の生成を指定します。

イネーブルベースのマルチサイクルパス制約の動作の仕組み

合成ツールは、転送元レジスタから転送先レジスタにデータが 1 クロックサイクル以内に伝播することを要求します。マルチサイクルパス制約は、レジスタ間のデータの伝播に複数クロックサイクルを許容することでこのタイミング要件を緩和します。コードジェネレーターはタイミングコントローラーイネーブル信号を使用してイネーブルベースのレジスタグループを作成します。各グループのレジスタは同じクロックイネーブルによって駆動されます。イネーブルベースの制約を適用して HDL コードを生成すると、コードジェネレーターは命名規則 dutname_constraints に従って制約ファイルを出力します。このファイルはマルチサイクルパスのタイミング要件を定義し、満たす必要があるセットアップ制約とホールド制約に関する情報を含んでいます。

この図は REGA から REGB へのデータの伝播に一定数のクロックサイクル (N とします) がかかるマルチサイクルパスを示しています。既定では、合成ツールはセットアップエッジを次のアクティブクロックエッジに、ホールドエッジを転送先のクロック信号と同じアクティブクロックエッジに定義します。N クロックサイクルかかるマルチサイクルパスの場合、より長いデータ伝播時間を許容するようにセットアップエッジとホールドエッジがこの制約によって再定義されます。

例として、転送元レジスタから転送先レジスタへのデータの先頭の伝播に 2 クロックサイクルかかるマルチサイクルパスについて検討します。この波形は、イネーブルベースの制約を適用することによって、セットアップエッジとホールドエッジが再定義される様子を示しています。次のコードの抜粋は、マルチサイクルパス制約を有効にしたときに生成される制約ファイル内のセットアップ要件とホールド要件を示しています。

イネーブルベースの制約の指定

イネーブルベースの制約を生成する前に、以下を行わなければなりません。

設計内のマルチサイクルパスを保持します。マルチサイクルパス制約の生成を有効にする前に、マルチサイクルパス制約を適用する領域でクロックレートパイプラインや適応パイプラインなどの最適化が無効になっていることを確認します。
低速のクロックレートで動作する領域が、ゼロ位相で動作するタイミングコントローラーベースのクロックイネーブル信号によって制限されていることを確認します。
合成ツールを指定します。生成されるマルチサイクルパス制約ファイルの形式は、指定する [合成ツール] に依存します。合成ツールを指定せず、[EDA スクリプトを生成] チェックボックスをオンにした場合、HDL Coder ではマルチサイクルパス制約は生成されません。
単一クロックモードを使用します。[HDL コード生成] 、 [グローバル設定] ペインで、[クロックの入力] を Single に設定します。

マルチサイクルの制約の生成は、[コンフィギュレーションパラメーター] ダイアログボックス、HDL ワークフローアドバイザー UI またはコマンドラインで指定できます。

[コンフィギュレーションパラメーター] ダイアログボックスの [HDL コード生成] 、 [ターゲットおよび最適化] ペインで、[イネーブルベースの制約] チェックボックスをオンにします。
HDL ワークフローアドバイザーの [HDL コード生成] 、 [コード生成オプションを設定] 、 [最適化オプションを設定] タスクで、[イネーブルベースの制約] チェックボックスをオンにします。
コマンドラインで MulticyclePathConstraints プロパティを hdlset_param または makehdl と共に使用します。

イネーブルベースの制約を使用するメリット

合成ツールがマルチサイクルパス制約を特定した場合、次を行うことができます。

より高いクロックレートを実現して設計のタイミングを改善できます。
マルチサイクルパス制約はパイプラインレジスタを導入しないため、ターゲット FPGA デバイス上の面積のフットプリントを削減できます。
コードジェネレーターが多くの最適化設定を実行する必要がないため、HDL コードの生成時間を短縮できます。
マルチサイクルパス制約が合成ツールのタイミング要件を緩和するため、合成時間を短縮できます。
制約をもつ生成されたモデルは元のモデルと同一であるため、HDL コードの生成後に設計の検証を省略できます。

イネーブルベースの制約の設定を使用すると次のようになります。

生成された制約は合成ツール内の名前の変更に対してより強くなります。
HDL コード生成が高速になります。
[ターゲットワークフロー] を Generic ASIC/FPGA、IP Core Generation、および Simulink Real-Time FPGA I/O にできます。
制約ファイルの形式は Xilinx ISE、Xilinx Vivado および Altera QUARTUS II でサポートされます。

モデリングガイドライン

イネーブルベースの制約の生成を指定する場合、設計で以下のモデリングパターンを使用します。レジスタによって囲まれていない遅いレートの領域がモデルに含まれている場合、遅いレートの領域の入力と出力に同じ遅いレートの遅延を追加します。たとえば、MATLAB^® のコマンドウィンドウで次のコマンドを入力すると、単一クロックモードで実装されたマルチレート CIC 内挿フィルターが表示されます。

openExample('hdlcoder_clockdemo');

次の図は、遅いサンプル時間 D2 の注釈が付けられたモデル内の遅いレートの領域の入力と出力を Unit Delay ブロックで囲うことによって、イネーブルベースの制約が遅いレートのパスを特定できるようにする方法を示しています。

メモ

Rate Transition ブロックを使用して入力レジスタと出力レジスタを導入することもできますが、この場合はレジスタが遅いレートでゼロ位相をもつようにしてください。

さまざまな合成ツール用のマルチサイクルパス制約

イネーブルベースのマルチサイクルパス制約には、指定する [合成ツール] に依存したさまざまなファイル形式があります。

Altera Quartus II

HDL Coder は SDC ファイルの形式で制約を生成します。次のコードの抜粋は、Altera^® Quartus^® II 用に生成された SDC ファイルを示しています。

# Multicycle constraints for clock enable: DUT_tc.u1_d4_o0
set enbreg [get_registers *u_DUT_tc|phase_0]
set_multicycle_path 4 -to [get_fanouts $enbreg -through [get_pins -hier *|ena]] -end -setup
set_multicycle_path 3 -to [get_fanouts $enbreg -through [get_pins -hier *|ena]] -end -hold

Xilinx Vivado

HDL Coder は XDC ファイルの形式で制約を生成します。次のコードの抜粋は、Xilinx^® Vivado^® 用に生成された XDC ファイルを示しています。

# Multicycle constraints for clock enable: DUT_tc.u1_d4_o0
set enbregcell [get_cells -hier -filter {mcp_info=="DUT_tc.u1_d4_o0"}]
set enbregnet [get_nets -of_objects [get_pins -of_objects $enbregcell -filter {DIRECTION == OUT}]]
set reglist [get_cells -of [filter [all_fanout -flat -endpoints_only $enbregnet] IS_ENABLE]]
set_multicycle_path 4 -setup -from $reglist -to $reglist -quiet
set_multicycle_path 3 -hold  -from $reglist -to $reglist -quiet

マルチサイクルパス制約は、ATTRIBUTE キーワードで合成ネットリストをクエリすることによってイネーブルベースのレジスタグループを形成します。次のコードの抜粋は、サポートされているいずれかのターゲットワークフローを実行するときの、合成ネットリスト内のこのキーワードを示しています。

...
ATTRIBUTE mcp_info: string

ATTRIBUTE mcp_info OF phase_0 : SIGNAL IS "DUT_tc.u1_d4_o0";
...

Xilinx Vivado 用に生成される制約ファイルは、モジュールまたは信号名のパターンマッチングよりも強固です。

Xilinx ISE

HDL Coder は UCF ファイルの形式で制約を生成します。次のコードの抜粋は、クロックイネーブル信号によって制御され、ターゲット周波数が 300MHz である 1 つの遅いレートの領域をもつモデル用に生成された UCF ファイルを示しています。マルチサイクルパス制約は、指定する [ターゲット周波数] に依存します。

# Multicycle constraints for clock enable: DUT_tc.u1_d4_o0
NET "*u_DUT_tc/phase_0" TNM_NET = FFS "TN_u_DUT_tc_phase_0";
TIMESPEC "TS_u_DUT_tc_phase_0" = FROM "TN_u_DUT_tc_phase_0" TO "TN_u_DUT_tc_phase_0" TS_FPGA_CLK/4;

Generic ASIC/FPGA または Simulink Real-Time FPGA I/O ワークフローを Xilinx ISE と共に実行したときに生成されるクロック制約を次のコードに示します。

# Timing Specification Constraints

NET "clk" TNM_NET = "TN_clk";
TIMESPEC "TS_FPGA_CLK" = PERIOD "TN_clk" 300 MHz;

関数 makehdl を使用して HDL コードを生成するときにマルチサイクルパス制約を使用する場合は、UCF ファイルに TS_FPGA_CLK 制約が追加されていることを確認してください。

タイミング制御ロジックでのイネーブル信号の保持

イネーブルベースのマルチサイクルパス (MCP) 制約を適用してマルチサイクルデータパスのタイミング制約を緩和すると、HDL Coder によってタイミングコントローラーロジックをもつ MCP が生成されます。イネーブルベースの制約を合成ツールに指定すると、合成ツールによってこのタイミングコントローラーロジックが最適化され、単一クロック領域設計に変換されます。MCP 制約は生成された HDL コードには適用されません。合成ツールでこのタイミング制御ロジックを保持するために、HDL Coder では、生成されたタイミングコントローラー HDL コード内のすべてのイネーブル信号に属性 direct_enable が追加されます。

次の生成された VHDL コードは、タイミングコントローラーロジック内のイネーブル信号に direct_enable 属性が追加されることを示しています。

...
ATTRIBUTE direct_enable OF enb_1_1_1: SIGNAL IS "yes";
...

次の生成された Verilog コードは、タイミングコントローラーロジック内のイネーブル信号に direct_enable 属性が追加されることを示しています。

...
(* direct_enable = "yes" *) output enb_1_1_1;
...

direct_enable 属性があるため、合成ツールで MCP 制約を指定した際に MCP 制約が設計に適用されます。

制限

マルチサイクルパス制約ファイルは FPGA-in-the-Loop ワークフローではサポートされません。
遅いレートの領域がレジスタで囲まれていない場合、マルチサイクルパス制約では遅いレートの 2 つの Delay ブロックを追加する必要があり、これによって設計のレイテンシが増加します。
コードジェネレーターが、タイミングコントローラーベースのイネーブル信号の非ゼロ位相値をもつレジスタの間のパスに対する制約を追加することはありません。コードジェネレーターが制約を追加する場合、Delay ブロックなどの位相 0 のクロックイネーブル信号から派生するレジスタを使用します。
クロックレートパイプラインや適応パイプラインなどの最適化を有効にした領域にマルチサイクルパス制約を適用した場合、生成される制約の効果が低減する場合があります。クロックレートパイプラインを使用すると、レジスタはより速いクロックレートで動作するため、設計内の遅いレートのレジスタを維持できない場合があります。
HDL Coder はシングルレートモデルに対してマルチサイクルパス制約を生成しません。
複数クロックモードを使用する場合、コードジェネレーターはマルチサイクルパス制約ファイルを出力しません。