IP コアの生成ワークフローと Simulink Real-Time FPGA I/O ワークフローでのタイミングエラーの解決

同期回路は、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。合成ツールの場合、Simulink^® モデルに追加した Delay ブロックがクロックレートで実行されます。合成ツールでは、データが 1 クロックサイクル以内にブロック間を移動する必要があります。合成ツールがモデル内の 1 つ以上の信号パスのレジスタ間でデータを 1 クロックサイクル以内に伝播できない場合、タイミングエラーが発生します。

合成ツールで、要求された時間と到着時間との差に対応する "スラック" 情報が信号パスごとにレポートされます。要求された時間は、信号が宛先のレジスタに到着しなければならない予想時間です。到着時間は、信号がその地点に到着するまでの経過時間です。正のスラックは信号が要求された時間よりも速く到着したことを示し、パスはタイミング要件にパスします。負のスラックは信号が要求された時間よりも遅いことを示し、パスはタイミング要件に失敗します。設計がタイミング要件を満たすようにするためには、負のスラックをもつすべての信号パスの速度を上げます。

設計がタイミング要件を満たしているかどうか、およびタイミングエラーを解決する方法を確認するには、以下の手順を実行します。

手順 1: タイミングエラーの特定

Vivado^® ベースのボードで IP Core Generation ワークフローまたは Simulink Real-Time FPGA I/O ワークフローを実行するときに、Simulink モデルがタイミング要件を満たしていない場合、HDL Coder™ ではワークフローの [FPGA ビットストリームのビルド] ステップでエラーが生成されます。次の項目を参照してください。

IP Core Generation ワークフローの実行方法については、Xilinx Zynq プラットフォームをターゲットにする方法の概要を参照してください。
Simulink Real-Time FPGA I/O ワークフローの実行方法については、Speedgoat Simulink プログラム可能 I/O モジュールでの FPGA プログラミングと構成を参照してください。このワークフローを実行する場合は、Xilinx^® Vivado を合成ツールとしてサポートする Speedgoat ボードを使用します。

[FPGA ビットストリームのビルド] タスクを実行するときは、[ビルドプロセスを外部で実行] チェックボックスを既定のままオンにすると、タイミングエラーの有無に関係なく、HDL Coder では結果に [パス] が表示され、警告メッセージが示されます。外部コンソールにビルドログを表示して、タイミングエラーが発生する可能性があるかどうかを特定します。

外部コンソールでは、タイミングエラーがある場合は、最悪のスラックが示され、次のメッセージが表示されます。タイミング制約が満たされていません。

[ビルドプロセスを外部で実行] チェックボックスをオフにしてから、[FPGA ビットストリームのビルド] タスクを実行すると、タイミングエラーが発生した場合、[結果] サブペインに以下のメッセージが表示されます。

どちらの場合も、タイミングエラーが発生すると、コードジェネレーターでは前のビットストリームが、同じ名前と接尾辞 _timingfailure.bit または _timingfailure.sof (プロジェクトを Vivado または Quartus^® のどちらを使用して作成したかによる) をもつビットストリームで置き換えられます。たとえば、前に生成したビットストリームが system_top_wrapper.bit という名前の場合に、タイミングエラーが発生すると、HDL Coder によってこのビットストリームの名前は system_top_wrapper_timingfailure.bit に変更されます。

[ターゲットデバイスをプログラム] タスクを実行すると、タスクは失敗します。

タイミングエラーを警告として報告

タイミングエラーを解決するカスタムロジックを既に実装している場合は、タイミングエラーをエラーではなく警告として報告するよう指定できます。その後ワークフローを続行し、FPGA ビットストリームを生成できます。ターゲットの SoC デバイスをプログラミングする前に、タイミングエラーを解決しておくことを推奨します。

タイミングエラーを解決した後、エラーが解決したことを確認するには、HDL Coder ソフトウェアを使用できます。タイミングエラーをエラーとして報告されるよう変更し、IP Core Generation ワークフローを再実行して、[FPGA ビットストリームのビルド] タスクが成功することを確認します。[FPGA ビットストリームのビルド] タスクが依然として失敗する場合は、前の節の手順を実行してタイミングエラーを特定し解決します。

タイミングエラーを警告として報告するよう指定するには、次のようにします。

[FPGA ビットストリームのビルド] タスクを実行した後、HDL ワークフローアドバイザーをスクリプトにエクスポートします。そのスクリプトで、タイミングエラーを警告として報告するには、hdlcoder.WorkflowConfig クラスの ReportTimingFailure プロパティを使用します。その後スクリプトを実行するか、スクリプトを HDL ワークフローアドバイザーにインポートしてワークフローを実行します。
```
hWC.ReportTimingFailure = hdlcoder.ReportTiming.Warning; 
```
ボード向けに既に定義済みのカスタムリファレンス設計をターゲットとしている場合は、タイミングエラーを警告として報告するには、hdlcoder.ReferenceDesign クラスの ReportTimingFailure プロパティを使用します。
```
hRD.ReportTimingFailure = hdlcoder.ReportTiming.Warning; 
```

クリティカルパスを特定してタイミングエラーを解決する方法については、前の節の手順を実行します。

手順 2: クリティカルパスの検出

クリティカルパスとは、遅延が最大になる入力と出力との間を組み合わせたパスです。このパスは、最大の負のスラックをもつ信号パスを表します。クリティカルパスを特定して最適化することで、タイミングエラーを解決し、設計のタイミングを改善します。設計のクリティカルパスは、次のいずれかの方法を使用して特定できます。

手法 1: タイミングレポートをチェックする

[結果] サブペインで、合成ツールによって生成されたタイミングツールを開くには、[timing_report] リンクを選択します。このレポートを使用して、設計のクリティカルパスを特定できます。レポートで、Worst Slack を検索すると、最大のセットアップスラックを特定できます。次に、Source ポイントと Destination ポイントを使用してクリティカルパスを特定します。たとえば、この LED 点滅モデル hdlcoder_led_blinking のレポートでは、クリティカルパスが HDL Counter ブロック内にあることが示されています。

-----------------------------------------------------------------------------------------
From Clock:  clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0
  To Clock:  clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0

Setup :   1193  Failing Endpoints,  Worst Slack   -2.478ns,  Total Violation  -1226.784ns
Hold  :      0  Failing Endpoints,  Worst Slack    0.034ns,  Total Violation      0.000ns
PW    :      2  Failing Endpoints,  Worst Slack   -0.576ns,  Total Violation     -0.731ns
-----------------------------------------------------------------------------------------

Max Delay Paths
-----------------------------------------------------------------------------------------
Slack (VIOLATED) : -2.478ns  (required time - arrival time)
  Source:     system_top_i/led_count_ip_0/U0/u_led_count_ip_dut_inst/
                   u_led_count_ip_src_led_counter/HDL_Counter1_out1_reg[0]/C
              (rising edge-triggered cell FDRE clocked by clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0  
                                               {rise@0.000ns fall@1.000ns period=2.000ns})
 Destination:  system_top_i/led_count_ip_0/U0/u_led_count_ip_dut_inst/
                    u_led_count_ip_src_led_counter/HDL_Counter1_out1_reg[20]/R
               (rising edge-triggered cell FDRE clocked by clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0  
                                                {rise@0.000ns fall@1.000ns period=2.000ns})
  Path Group:       clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0
  Path Type:        Setup (Max at Slow Process Corner)
  Requirement:      2.000ns  (clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0 rise@2.000ns - 
                                            clk_out1_system_top_clk_wiz_0_0 rise@0.000ns)
  Data Path Delay:  3.899ns  (logic 1.412ns (36.211%)  route 2.487ns (63.789%))

手法 2: 合成を実行せずにクリティカルパスを推定する

HDL Coder を使用して、設計を合成せずにモデル内のクリティカルパスを推定して、強調表示します。クリティカルパスの推定では、ターゲット固有のタイミングデータベースのタイミングデータを使用して静的タイミング解析を実行することにより、クリティカルパスを特定します。合成ツールを使用せずにクリティカルパスを推定すると、タイミング結果が不正確になることがあります。クリティカルパスの推定により、設計内のクリティカルパスの特定および最適化の処理が高速化します。これは、HDL ワークフローアドバイザーでの [FPGA 合成および分析] の実行への代替方法です。詳細については、合成実行なしのクリティカルパスの推定を参照してください。

クリティカルパスを推定するには、[レポートオプションの設定] タスクで、[上位のタイミングのクリティカルパスレポートを生成] チェックボックスをオンにします。[RTL コードと IP コアの生成] タスクに対するワークフローを実行します。

HDL Coder は、コード生成レポートのクリティカルパスの推定セクションを生成します。このセクションで、criticalpathestimated スクリプトへのリンクを選択すると、コードジェネレーターは生成されたモデル内でクリティカルパスを強調表示します。次の図は、クリティカルパスが強調表示されている hdlcoder_sfir_fixed_stream モデルのセクションを示しています。

手法 3: バックアノテーションを使用したクリティカルパスへの注釈の設定

より正確なクリティカルパス情報を実現し、設計内のクリティカルパスを強調表示するために、バックアノテーションを使用します。バックアノテーションを使用するには、現在のワークフローアドバイザーセッションを終了し、合成結果を使用してモデルに注釈を設定するために Generic ASIC/FPGA ワークフローを実行する必要があります。

バックアノテーションを使用する前に、現在の HDL ワークフローアドバイザーの設定をスクリプトにエクスポートすることをお勧めします。設定をスクリプトにエクスポートすることで、タイミング要件を満たすまで、クリティカルパスを反復し、さまざまな設定をカスタマイズして設計を最適化することができます。ワークフローアドバイザースクリプトを HDL ワークフローアドバイザーにインポートして、ワークフローを実行できます。スクリプトを使用した HDL ワークフローの実行も参照してください。

バックアノテーションを使用するには、次を行います。

[Set Target Device and Synthesis Tool] タスクで、[ターゲットワークフロー] として Generic ASIC/FPGA を選択します。[合成ツール] では、IP Core Generation ワークフローの実行に使用したものと同じツールを指定します。
これらの設定を指定すると、HDL Coder ではそのタスクとそれに続くすべてのタスクがリセットされます。
[このタスクを実行] を選択します。
[ターゲット周波数を設定] タスクで、IP Core Generation ワークフローの実行に使用したものと同じターゲット周波数を指定します。[このタスクを実行] を選択します。
[合成結果をもつモデルに注釈を付ける] タスクを右クリックし、[選択したタスクまで実行] を選択します。

[合成結果をもつモデルに注釈を付ける] タスクへのリンクを実行する場合、コードジェネレーターは生成されたモデル内でクリティカルパスを強調表示します。次の図は、hdlcoder_led_blinking モデル内のクリティカルパスが HDL Counter ブロック内にあることを示しています。

手順 3: タイミングエラーの解決

タイミングエラーを解決するために、設計がターゲット周波数に一致するまで、これらの推奨事項のいずれかまたは推奨事項の組み合わせを使用できます。

推奨事項 1: 速度の最適化の使用

分散型パイプライン方式およびクロックレートパイプラインなどの速度の最適化を使用して、パイプラインレジスタを追加することで機能的な動作を維持しながらクリティカルパスを分割できます。クリティカルパスを削減することで、クロック周波数を高くし、信号の到着時間が要求された時間に到達し、スラックがゼロになるまで、信号の到着時間を増加させることができます。

分散型パイプライン方式の最適化により、サブシステム階層全体で設計の既存の遅延が移動します。サブシステムで分散型パイプライン方式を有効にするには、[DistributedPipelining] を [on] に設定します。設計がタイミング要件を満たしていない場合は、[InputPipeline] または [OutputPipeline] ブロックプロパティを使用してパイプラインをさらに追加できます。Subsystem の [HDL ブロックプロパティ] ダイアログボックスでこれらのプロパティを指定できます。

分散型パイプライン方式によってレジスタを移動させることができない場合、Delay ブロックをモデルに追加し、[設計上の遅延分散を許可] 設定を無効にします。[グローバル設定をチェック] タスクをリセットし、[FPGA ビットストリームのビルド] タスクに対するワークフローを実行します。設計がタイミング要件を満たしていない場合は、このアプローチを反復し、[オーバーサンプリング係数] の大きな値を使用したクロックレートパイプラインなどのその他の最適化を使用できます。これらの設定を指定するには、HDL ワークフローアドバイザーの [最適化オプションの設定] タスクの [パイプライン] タブを使用します。詳細については、速度の最適化を参照してください。

推奨事項 2: イネーブルベースのマルチサイクルパス制約の指定

設計に複数のサンプルレートが含まれているか、ある HDL ブロック実装またはコード生成後にパイプラインレジスタをより高速なレートで挿入する速度の最適化を使用する場合、設計にマルチサイクルパスを設定できます。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、タイミングコントローラーエンティティを作成します。このタイミングコントローラーが、より低速なサンプル時間で動作するブロックのクロック信号をサンプリングするのに必要なレートと位相の情報で一連のクロックイネーブルを生成します。

クリティカルパスが低速な信号レート上にある場合、合成ツールはタイミング要件を満たすことができない可能性があります。タイミングエラーは、ツールがサンプルレートを生成された HDL コードから推測できず、パスを最速のレートで実行する必要があると仮定するために発生します。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、合成ツールを有効にしてマルチサイクルパスに対するクロック制約を容易にする制約ファイルを生成できます。マルチサイクルパス制約の生成を指定するには、[最適化オプションの設定] 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。[FPGA ビットストリームのビルド] タスクに対するワークフローを実行します。例については、マルチサイクルパス制約を使用した遅いパスのタイミングへの対応を参照してください。

推奨事項 3: ターゲット周波数の削減

[ターゲット周波数 (MHz)] 設定を使用して、HDL Coder が、その周波数をもつクロック信号を生成するリファレンス設計のクロックモジュール設定を変更するために、ターゲット周波数を指定します。Target Frequencyも参照してください。

タイミングエラーを解決するには、合成ツールがタイミングの制約を満たすことができるように、[ターゲット周波数 (MHz)] 設定を削減します。指定できるターゲット周波数を確認するには、合成ツールのタイミングレポートにあるスラックおよびクリティカルパスの情報を使用します。スラックは要求された時間と到着時間の間の差と等しいため、スラックを要求された時間に追加して、この合計を New required time として使用できます。New required time は到着時間と等しいため、タイミング要件を満たすために、この New required time の逆数をターゲット周波数値として使用します。ターゲット周波数を計算するには、MATLAB^® コマンドウィンドウで、このスクリプトを実行します。

% Specify the required time (ns) and slack (ns) using timing report
required_time = 2;
slack = 2.2;

% Slack is difference between required_time and arrival_time
% By adding slack to required_time you can resolve 
New_required_time = required_time + slack;
Target_frequency = 1 / (New_required_time);

% Since we computed the new time in nanoseconds
Target_frequency_MHz = Target_frequency * 10^3;

[ターゲット周波数を設定] タスクで、この値を [ターゲット周波数 (MHz)] に指定し、[FPGA ビットストリームのビルド] タスクに対するワークフローを実行します。タイミングエラーが表示される場合、この方法を使用して、設計がタイミング要件を満たし、スラックがゼロになるまでターゲット周波数値を反復できます。

HDL ワークフローアドバイザー設定をスクリプトにエクスポートし、TargetFrequency プロパティの値として Target_frequency_MHz を指定することで、ターゲット周波数の反復を継続することもできます。次に、スクリプトを実行します。

% Set this frequency as the new target frequency
hdlset_param('hdlcoder_led_blinking', 'TargetFrequency', Target_frequency_MHz);

参考

hdlcoder.Board | hdlcoder.ReferenceDesign