Intel FPGA权威设计指南：基于Quartus Prime Pro 19集成开发环境

        本书以Intel公司的Quartus Prime Pro 19集成开发环境与Intel新一代可编程逻辑器件Cyclone 10 GX为软件和硬件平台，系统地介绍了可编程逻辑器件的原理和Quartus Prime Pro集成开发环境的关键特性。全书共11章，内容主要包括Intel Cyclone 10 GX FPGA结构详解、Quartus Prime Pro HDL设计流程、Quartus Prime Pro块设计流程、Quartus Prime Pro定制IP核设计流程、Quartus Prime Pro命令行脚本设计流程、Design Space Explorer II设计流程、Quartus Prime Pro系统调试原理及实现、Quartus Prime Pro时序和物理约束原理及实现、Quartus Prime Pro中HDL高级设计方法、Quartus Prime Pro部分可重配置原理及实现，以及Intel高级综合工具原理及实现方法。

推荐序（一）

众所周知，我们正在进入一个全面科技创新的时代。科技创新驱动并引领着人类社会的发展，从人工智能、自动驾驶、5G，到精准医疗、机器人等，所有这些领域的突破都离不开科技的创新，也离不开计算的创新。从CPU、GPU，到FPGA、ASIC，再到未来的神经拟态计算、量子计算等，英特尔正在全面布局未来端到端的计算创新，以充分释放数据的价值。中国拥有巨大的市场和引领全球创新的需求，其产业生态的全面性，以及企业创新的实力、活力和速度都令人瞩目。英特尔始终放眼长远，以丰富的生态经验和广阔的全球视野，持续推动与中国产业生态的合作共赢。以此为前提，英特尔在2018年建立了英特尔?FPGA中国创新中心，与Dell、海云捷迅等合作伙伴携手共建AI和FPGA生态，并通过组织智能大赛、产学研对接及培训认证等方式，发掘优秀团队，培养专业人才，孵化应用创新，加速智能产业在中国的发展。
英特尔FPGA中国创新中心系列丛书是英特尔?FPGA中国创新中心专为AI和FPGA领域的人才培养和认证而设计编撰的系列丛书，非常高兴作为英特尔?FPGA中国创新中心的总经理为丛书写序。同时也希望该系列丛书能为中国AI与FPGA相关产业的生态建设与人才培养添砖加瓦！

张  瑞
英特尔? FPGA中国创新中心总经理
2020年1月

推荐序（二）

自2003年Altera在中国高校开展大学计划以来，通过兴建联合实验室，组织教师培训，举行学生创新竞赛等方式，将FPGA技术及设计方法带到了许多高校之中，一批又一批掌握了FPGA技术的毕业生，从学校走向工作岗位，发挥着他们的核心骨干作用。而由Altera大学计划所带领的这种校企合作方式，也被越来越多的企业所采用，共同为我们的教育事业，贡献着自己的一份力量。
Altera于2015年合并进入英特尔，Altera的FPGA产品，也全面与英特尔的优势资源相结合，广泛地应用于人工智能、算法加速、5G等新技术之中。而全新的Intel FPGA大学计划，不仅继承了之前Altera大学计划的所有优势，又充分地利用了英特尔的技术和资源，借助教育部产学研合作这个平台，与高校在联合课程开发、师资培训、学生系统能力培养等方面，继续展开广泛且更加深入的合作。
英特尔FPGA中国创新中心系列丛书的计划，就是在这样一个背景下酝酿而生的，我们希望借助英特尔的技术资源，联合Intel FPGA中国创新中心，再借助高校优秀教师多年的教学经验，共同为广大师生和对FPGA感兴趣的读者，打造一套全面的、专业的技术书籍，从而让大家可以尽快掌握和使用FPGA这项前沿技术。
这套英特尔FPGA中国创新中心系列丛书基于最新的Intel FPGA开发工具Quartus Prime软件，内容专业且全面，除了详尽的基础知识，也覆盖了与FPGA设计相关的时序分析、嵌入式系统、数字信号处理等高阶内容，读者可以根据自身情况选择阅读，既可以作为从入门到精通的学习教材，也可以作为学习某些关键技术点的参考手册。
最后要感谢何宾老师为本书做出的辛勤努力，也感谢每一位读者对Intel FPGA的支持！

袁亚东
英特尔?大学计划经理
2020年1月于上海

前    言

2015年6月，英特尔（Intel）公司宣布以167亿美元的价格收购全球第二大可编程逻辑器件厂商阿尔特拉（Altera）公司。阿尔特拉公司被英特尔收购后，就成为了英特尔可编程方案事业部（Intel FPGA）。投入英特尔怀抱后，原先基于阿尔特拉公司的可编程解决方案水平显著提高，主要体现在两个方面：在将原来阿尔特拉公司的Quartus II软件集成开发环境进化成Quartus Prime集成开发环境后，Quartus Prime集成开发环境的功能和性能有了显著提高；现场可编程门阵列产品更加丰富，新系列产品的功能和性能也显著增强。可以预测，借助英特尔公司强大而丰富的生态系统资源，英特尔新的可编程解决方案将在大数据、人工智能，以及云计算等新兴热点领域发挥越来越重要的作用。
众所周知，赛灵思（Xilinx）公司和阿尔特拉（Altera）公司占据全球90%以上的可编程逻辑器件市场份额，将为全球信息技术的发展注入强大的动力。在和Intel FPGA合作之前，我和赛灵斯（Xilinx）公司有将近20年的合作历程，曾编写并出版了多部基于赛灵思可编程解决方案的教材与专著，为赛灵思可编程逻辑技术在中国的普及和推广做出了贡献。
2018年年底，通过英特尔大学合作部经理颜历女士的介绍，有幸结识Intel FPGA大学计划经理袁亚东先生，他希望我能基于英特尔可编程解决方案编写一套技术丛书。作为一名教育工作者，我有责任根据自己多年从事FPGA教学和科研工作的经历并结合英特尔最新的技术资料，将英特尔最新的可编程解决方案系统呈现给广大从事相关工作的学生、教师和广大工程技术人员。从2019年年初开始，计划用大约一年半的时间，我将陆续编写并出版4本能够反映英特尔最新可编程技术的图书。这样，所编写和出版的相关图书就能够满足国内大多数从事可编程逻辑器件解决方案读者的需求，这将进一步满足可编程逻辑技术在新信息技术领域的应用需求，从而助力中国创新和中国智造。
作为该系列丛书的第一本图书，全书共11章内容，以Intel新一代Cyclone 10 GX器件和Quartus Prime Pro 19集成开发环境为主线，全面系统地介绍了Cyclone 10 GX FPGA内部架构、Quartus Prime Pro HDL设计流程、Quartus Prime Pro块设计流程、Quartus Prime Pro定制IP核设计流程、Quartus Prime Pro命令行脚本设计流程、Design Space Explorer II设计流程、Quartus Prime Pro系统调试原理及实现、Quartus Prime Pro时序和物理约束原理及实现、Quartus Prime Pro中HDL高级设计方法、Quartus Prime Pro部分可重配置原理及实现，以及Intel高级综合工具原理及实现方法。应该说，书中很多内容均是首次以中文图书的形式对系统进行详细解读的。
在本书编写的过程中，得到Intel FPGA大学计划经理袁亚东先生的全力支持与指导，Intel FPGA大学计划李晓嫣女士为本书的编写也提供了很大帮助，Intel PSG SoC技术专家黄琦先生为本书的编写提供了技术支持。作为英特尔中国创新中心创始单位之一的北京海云捷迅科技有限公司组织并策划了该系列丛书的编写，该公司田亮先生、任德智先生和王晓星女士也对本书的编写提供了大量的支持和帮助，在此一并表示感谢。电子工业出版社的张迪编辑与作者合作多年，为本套丛书的整体策划和高质量出版倾注了大量的心血，在此也要向她表示我最衷心的感谢。
由于作者能力和水平有限，书中会有不足之处，恳请广大读者予以批评指正。

作  者    
2020年1月于北京

目    录

第 章  Intel Cyclone 10 GX FPGA 结构详解    1
1.1  逻辑阵列块和自适应逻辑块    1
1.1.1  ALM结构和功能    1
1.1.2  LUT的工作模式    2
1.1.3  寄存器和锁存器    12
1.1.4  LAB的互联架构    21
1.1.5  分布式存储器    22
1.2  存储器块    32
1.2.1  嵌入式存储器块设计指导    32
1.2.2  存储器块打包模式    34
1.2.3  地址时钟使能    35
1.2.4  存储器块异步清除    35
1.2.5  存储器块纠错码    35
1.2.6  使用M20K实现RAM    36
1.3  时钟网络和相位锁相环    40
1.3.1  时钟网络类型    40
1.3.2  时钟资源功能    43
1.3.3  层次化时钟结构    45
1.3.4  时钟控制块    47
1.3.5  时钟功耗控制    50
1.3.6  相位锁相环    52
1.4  I/O块    58
1.4.1  I/O组的排列    59
1.4.2  I/O电气标准    60
1.4.3  I/O架构和特性    62
1.4.4  可编程的IOE特性    65
1.4.5  片上端接    67
1.4.6  SERDES和DPA    67
1.5  DSP块    70
1.5.1  DSP块特性    71
1.5.2  DSP块资源    71
1.5.3  DSP块架构    72
1.5.4  DSP块应用    72
1.6  外部存储器接口    78
1.6.1  外部存储器接口特性    79
1.6.2  外部存储器接口I/O引脚    80
1.6.3  器件封装支持的存储器接口    80
1.6.4  外部存储器接口架构    82
1.7  配置技术    87
1.7.1  AS配置    89
1.7.2  PS配置    94
1.7.3  FPP配置    97
1.7.4  JTAG配置    106
1.7.5  配置流程    108
1.8  电源管理    110
1.8.1  功耗    110
1.8.2  可编程电源技术    110
1.8.3  电源传感线    111
1.8.4  片上电压传感器    111
1.8.5  温度传感二极管    112
1.8.6  上电/断电顺序要求    112
第 章  Quartus Prime Pro HDL 设计流程    113
2.1  Quartus Prime Pro及组件的下载、安装和授权    113
2.1.1  下载Quartus Prime Pro及组件    113
2.1.2  安装Quartus Prime Pro及组件    117
2.1.3  授权Quartus Prime Pro及组件    118
2.2  Quartus Prime Pro功能和特性    121
2.3  Quartus Prime Pro设计流程    122
2.3.1  处理流程框架    122
2.3.2  增量优化的概念    125
2.3.3  超感知设计流程    125
2.4  建立新的设计工程    128
2.5  添加新的设计文件    134
2.6  设计的分析和综合处理    137
2.6.1  分析和综合的概念    137
2.6.2  分析和综合的属性选项    140
2.6.3  分析和综合的实现    147
2.6.4  查看分析和综合的结果    149
2.7  设计的行为级仿真    155
2.7.1  使用Verilog HDL生成测试向量的仿真    155
2.7.2  使用波形文件生成测试向量的仿真    161
2.8  设计的约束    165
2.8.1  通过GUI指定约束的方法    165
2.8.2  使用Tcl脚本约束设计的方法    166
2.8.3  在Assignment Editor中添加约束条件    172
2.8.4  在Pin Planner中添加约束条件    174
2.8.5  I/O分配分析    178
2.8.6  添加简单的时序约束条件    180
2.9  设计的适配    184
2.9.1  适配器设置选项    184
2.9.2  适配的实现    189
2.9.3  查看适配后的结果    190
2.10  查看时序分析结果    196
2.10.1  时序分析的基本概念    196
2.10.2  时序路径和时钟分析    197
2.10.3  时钟建立分析    200
2.10.4  时钟保持分析    201
2.10.5  恢复和去除分析    202
2.10.6  多周期路径分析    203
2.10.7  亚稳态分析    206
2.10.8  时序悲观    207
2.10.9  时钟作为数据分析    208
2.10.10  多角时序分析    209
2.10.11  时序分析的实现    210
2.11  功耗分析原理和实现    217
2.11.1  功耗分析器输入    218
2.11.2  功耗分析器设置    220
2.11.3  节点和实体分配    222
2.11.4  执行功耗分析    223
2.12  生成编程文件    226
2.12.1  装配器选项属性设置    226
2.12.2  可编程文件类型    232
2.12.3  运行装配器工具    232
2.12.4  生成PROM文件    233
2.13  下载设计    239
2.13.1  下载设计到FPGA    239
2.13.2  编程串行Flash存储器    241
第 章  Quartus Prime Pro 块设计流程    243
3.1  基于块的设计介绍    243
3.1.1  与块设计有关的术语    243
3.1.2  设计块重用介绍    244
3.1.3  基于块的增量编译介绍    246
3.2  设计方法学介绍    247
3.2.1  自顶向下设计方法学介绍    247
3.2.2  自底向上设计方法学介绍    247
3.2.3  基于团队的设计方法学介绍    248
3.3  设计分区    249
3.3.1  为外围IP、时钟和PLL规划分区    250
3.3.2  设计分区指导    251
3.3.3  保留和重用分区快照    251
3.3.4  创建设计分区    252
3.4  设计分区重用流程    255
3.4.1  重用核心分区    256
3.4.2  重用根分区    263
3.4.3  保留核心实体重新绑定    269
3.5  增量块设计流程    270
3.5.1  增量的时序收敛    270
3.5.2  设计抽象及实现    272
3.5.3  空分区时钟源保留    273
3.6  设计块重用和基于块增量编译的组合    273
3.7  建立基于团队的设计    274
3.7.1  为基于团队的设计创建一个顶层工程    274
3.7.2  为工程集成准备一个设计分区    277
3.8  自底向上的设计考虑    278
第 章  Quartus Prime Pro定制IP 核设计流程    279
4.1  Platform Designer工具功能介绍    279
4.1.1  Platform Designer支持的接口    279
4.1.2  元件结构    280
4.1.3  元件文件组织    281
4.1.4  元件版本    281
4.1.5  IP元件的设计周期    281
4.2  调用Platform Designer工具    282
4.3  创建定制元件IP核    285
4.3.1  指定IP元件类型    285
4.3.2  创建/指定用于综合和仿真的HDL文件    286
4.4  创建通用元件IP核    298
4.5  对定制元件IP核进行验证    309
4.6  对通用元件IP核进行验证    310
4.6.1  添加顶层原理图文件    310
4.6.2  修改user_define.v文件    312
4.6.3  添加generic_component_0.v文件    314
4.7  IP核生成输出（Quartus Prime Pro版本）    315
第 章  Quartus Prime Pro命令行脚本设计流程    317
5.1  工具命令语言    317
5.2  Quartus Prime Tcl包    317
5.3  Quartus Prime Tcl API Help    319
5.3.1  命令行选项    321
5.3.2  Quartus Prime Tcl控制台窗口    323
5.4  端到端的设计流程    323
5.4.1  建立新的设计工程    325
5.4.2  添加新的设计文件    325
5.4.3  添加设计约束条件    326
5.4.4  设计综合    329
5.4.5  设计适配    330
5.4.6  设计装配（生成编程文件）    331
5.4.7  报告    331
5.4.8  时序分析    333
5.5  自动脚本执行    335
5.5.1  执行例子    336
5.5.2  控制处理    336
5.5.3  显示消息    337
5.6  其他脚本    337
5.6.1  自然总线命名    337
5.6.2  短选项名字    337
5.6.3  集合命令    337
5.6.4  Node Finder命令    339
5.6.5  get_names命令    354
5.6.6  post_message命令    356
5.6.7  访问命令行参数    356
5.6.8  quartus() Array    358
5.7  tclsh shell    359
5.8  Tcl脚本基础知识    359
5.8.1  Intel FPGA COOL的例子    359
5.8.2  变量    359
5.8.3  替换    360
5.8.4  算术    360
5.8.5  列表    361
5.8.6  数组    361
5.8.7  控制结构    362
5.8.8  过程（子程序或函数）    363
5.8.9  文件I/O    363
第 章  Design Space Explorer II 设计流程    365
6.1  启动DSE II工具    365
6.2  DSE II工具介绍    366
6.2.1  Project页面    366
6.2.2  Setup页面    367
6.2.3  Exploration页面    369
6.2.4  Status页面    373
6.3  在本地计算机上探索不同的实现策略    373
6.4  在远程计算机上探索不同的实现策略    377
6.4.1  创建一个Azure账户    378
6.4.2  下载PuTTY相关工具    378
6.4.3  选择Intel FPGA工具    379
6.4.4  创建和配置虚拟机    380
6.4.5  配置和启动PuTTY工具    388
6.4.6  捕获虚拟机上的GUI界面    391
6.4.7  打开Quartus Prime软件    393
6.4.8  终止虚拟机    395
6.4.9  持久存储和数据传输    396
6.4.10  搭建和配置许可证服务器    397
6.4.11  连接到许可证服务器    406
6.4.12  在虚拟机上运行DSE II    407
第 章  Quartus Prime Pro系统调试原理及实现    411
7.1  系统调试工具概述    411
7.1.1  系统调试工具组合    411
7.1.2  用于监视RTL节点的工具    414
7.1.3  具有激励功能的工具    416
7.1.4  Virtual JTAG Interface Intel FPGA IP核    417
7.1.5  系统级调试结构    417
7.1.6  SLD JTAG桥    418
7.1.7  部分重配置设计调试    422
7.2  使用Signal Tap逻辑分析仪的设计调试    422
7.2.1  软件和硬件要求    423
7.2.2  Signal Tap逻辑分析仪的特性和优点    423
7.2.3  Signal Tap逻辑分析仪任务流程概述    424
7.2.4  创建新的调试工程    426
7.2.5  添加FIFO IP核    427
7.2.6  添加顶层设计文件    430
7.2.7  配置Signal Tap逻辑分析仪    432
7.2.8  编译设计    463
7.2.9  编程目标器件或器件    467
7.2.10  运行逻辑分析仪    468
7.2.11  查看、分析和使用捕获的数据    472
7.3  使用Signal Probe的快速设计验证    474
7.4  使用外部逻辑分析仪的系统内调试    477
7.4.1  选择逻辑分析仪    477
7.4.2  为逻辑分析仪接口定义参数    479
7.4.3  将LAI文件引脚映射到可用的I/O引脚    480
7.4.4  将内部信号映射到LAI组    480
7.4.5  编译Quartus Prime工程    481
7.4.6  使用LAI编程Intel支持的器件    482
7.4.7  运行时控制活动的组    482
7.5  系统内修改存储器和常量    482
7.5.1  用系统内存储器内容编辑器调试设计    483
7.5.2  使能运行时修改设计中的实例    483
7.5.3  用系统内存储器内容编辑器编程器件    484
7.5.4  将存储器实例加载到ISMCE    485
7.5.5  监视存储器中的位置    485
7.5.6  使用“Hex Editor”窗口编辑存储器内容    486
7.5.7  导入和导出存储器文件    487
7.6  使用系统内源和探针的设计调试    488
7.6.1  系统内源和探针的设计流程概述    489
7.6.2  例化In-System Sources ＆ Probes IP核    490
7.6.3  编译设计    492
7.6.4  运行系统内源和探针编辑器    492
7.6.5  用JTAG Chain Configuration编程器件    493
7.6.6 “Instance Manager：”窗口    494
7.6.7  In-System Sources and Probes Editor主界面    494
7.6.8  In-System Sources and Probes Editor的Tcl命令    495
第 章  Quartus Prime Pro时序和物理约束原理及实现    497
8.1  SDC文件的高级特性    497
8.1.1  使用实体绑定的SDC文件    497
8.1.2  实体绑定的约束范围    498
8.1.3  实体绑定的约束实例    498
8.2  创建时钟和时钟约束    500
8.2.1  基本时钟    500
8.2.2  虚拟时钟    501
8.2.3  生成时钟    502
8.2.4  推导PLL时钟    507
8.2.5  创建时钟组    509
8.2.6  时钟效应特性    512
8.3  创建I/O约束    515
8.3.1  设置输入延迟（set_input_delay）    515
8.3.2  设置输出延迟（set_output_delay）    516
8.4  创建偏移和延迟约束    516
8.4.1  高级I/O时序和板布线模型延迟    516
8.4.2  设置最大偏移（set_max_skew）    517
8.4.3  设置网络延迟（set_net_delay）    521
8.4.4  创建时序例外（异常）    523
8.4.5  多周期例外的实例    531
8.4.6  延迟注解    550
8.4.7  约束设计分区端口    550
8.5  使用适配器过约束    551
8.6  接口规划工具原理及应用    552
8.6.1  接口规划概述    553
8.6.2  建立新的设计工程    554
8.6.3  添加并配置外部存储器接口IP核    555
8.6.4  添加Avalon MMM BFM IP核    563
8.6.5  在顶层文件中例化IP核    565
8.6.6  初始化Interface Planner    567
8.6.7  用工程分配更新计划    568
8.6.8  规划外围布局    568
8.6.9  报告布局数据    573
8.6.10  验证和导出规划约束    574
第 章  Quartus Prime Pro中HDL 高级设计方法    576
9.1  综合支持的HDL语言    576
9.1.1  Verilog和SystemVerilog综合支持    576
9.1.2  VHDL综合支持    580
9.2  HDL支持的综合属性和命令    581
9.2.1  Verilog HDL综合属性和命令    581
9.2.2  VHDL综合属性和命令    597
9.3  底层原语的使用    614
9.3.1  底层I/O原语    616
9.3.2  底层逻辑原语    621
第  章  Quartus Prime Pro部分可重配置原理及实现    628
10.1  部分可重配置基本概念    628
10.1.1  部分可重配置术语    629
10.1.2  部分可重配置过程序列    629
10.1.3  内部主设备部分可重配置    630
10.1.4  外部主设备部分可重配置    632
10.1.5  部分可重配置设计注意事项    632
10.2  部分可重配置基本流程的实现    633
10.2.1  建立新的设计工程    634
10.2.2  添加设计文件    634
10.2.3  创建设计分区    637
10.2.4  为PR分区分配布局和布线区域    639
10.2.5  添加部分可重配置控制器IP核    642
10.2.6  定义角色    644
10.2.7  创建修订版    645
10.2.8  编译基本修订版本    647
10.2.9  准备PR实现修订版    648
10.2.10  编程器件    650
10.3  层次化部分可重配置流程的实现    652
10.3.1  建立新的设计工程    652
10.3.2  添加设计文件    653
10.3.3  创建设计分区    655
10.3.4  为PR分区分配布局和布线区域    658
10.3.5  添加部分可重配置控制器IP核    660
10.3.6  定义角色    662
10.3.7  创建修订版    663
10.3.8  编译基本修订版本    666
10.3.9  为父PR分区准备PR实现修订版    667
10.3.10  为子PR分区准备PR实现修订版    669
10.3.11  编程器件    672
第  章  Intel高级综合工具原理及实现方法    673
11.1  高级综合工具概论    673
11.1.1  高级综合工具的优势    673
11.1.2  高级综合工具运行要求    675
11.1.3  高级综合工具的简要流程    675
11.1.4  HLS与OpenCL    676
11.1.5  高级综合工具编译器细节    676
11.2  高级综合工具基本流程的实现    680
11.2.1  构建C++模型和测试平台    680
11.2.2  C和C++库    685
11.2.3  设置高级综合编译器    690
11.2.4  运行高级综合编译器    692
11.2.5  查看高级设计报告    694
11.2.6  查看元件RTL仿真波形    700
11.3  任意精度数据类型及优化    702
11.3.1  元件中声明ac_int数据类型    703
11.3.2  调试ac_int数据类型的使用    703
11.3.3  元件中声明ac_fixed数据类型    704
11.3.4  浮点编译优化    707
11.4  元件接口    712
11.4.1  元件调用接口    712
11.4.2  Avalon流接口    715
11.4.3  Avalon存储器映射的主接口    721
11.4.4  Avlaon存储器映射的从接口    725
11.4.5  元件调用接口参数    731
11.4.6  不稳定和稳定元件参数    734
11.4.7  全局变量    736
11.4.8  元件接口的结构体    736
11.4.9  复位行为    736
11.5  元件中的本地变量（存储器属性）    737
11.5.1  编译器元件存储器属性    737
11.5.2  静态变量    761
11.6  元件中的循环    762
11.6.1  循环启动间隔（ii编译指示）    764
11.6.2  循环携带的依赖性（ivdep编译指示）    765
11.6.3  循环合并（loop_coalesce编译指示）    768
11.6.4  循环展开（unroll编译指示）    770
11.6.5  循环并发（max_concurrency编译指示）    773
11.7  元件并发性    773
11.7.1  存储空间或I/O的串行等效    774
11.7.2  并行性控制    774
附录A  C10-EDP-1硬件开发平台原理图    775
附录B  USB-Blaster下载器驱动故障排除方法    790