CycloneIII设计向导-第四篇.设计和编译 （上）

写这个系列的文章同时，可以让自己加深对设计各方面的理解。如果发现有不清楚的地方，我会查阅相关的文档，理解后，再写一些专门的文章。

一．设计入口

Quartus II支持原理图和HDL语言的输入。原理图更适合简单的设计，HDL语言适合复杂的设计。但要注意，如果想使用第三方的综合工具，就必须用HDL语言。

对于HDL语言，最好遵循一定的代码风格。在Quartus II的手册上，可以找到专门讲解这方面的章节。（我对这方面也不熟悉，将会好好看看）。Quartus II软件的文本编辑器，可以插入很多语言相关的模板，这个功能不错。不过还是习惯用UltraEdit写代码。

对于一些FPGA内部的资源模块，通常既可以直接调用Quartus II的ip核，也可以用HDL语言来描述，比如RAM资源。

选择综合工具：Altera支持很多第三方的综合工具，个人比较喜欢用SynplifyPro。这些工具生成.edf或者.vqm文件，然后QuartusII再进行布局布线。怎么在Quartus II中调用这些工具，最好的方法就是去看Quartus II Handbook，里面讲得非常清楚。如果你看得懂英文，Handbook写的东西是最适合你的。

SOPC生成：Altera的SOPC功能很强大。

IP：Altera和第三方合作伙伴提供了很多的IP，可以让设计变得更快捷。特别是Altera提供的，可以直接试用。

宏功能（Megafunction）：ALtera封装了很多资源和模块，用Megafunction的形式给用户调用，只用设置一些参数，就可以正常使用这些模块了。

二．设计建议

Quartus II手册有专门的章节讲设计方面的一些建议。

同步设计：setup和hold time的充分保证，能减少毛刺等的干扰。使用Cyclone III I/O的输入寄存器（注意，不是普通的LE），这样芯片的输入信号能更好的滤除毛刺。需要设置”Fast Input Rgedister”，来使用该寄存器。

应该通过良好的同步设计，而不是使用LCELL这样的单元来控制特定路径的延迟。因为FPGA内部路径的延迟是不确定的，会在设计中因为每次布局布线不同而改变，会在使用中因为温度，电压等因素改变，还会因为工艺的差异而改变。为了增加设计的稳定性，尽量提高时序分析时路径的余量。虽然时序分析已经是按芯片在最差状况下的时序特性来分析，但多留一点余量还是有好处，在设计允许的情况下。

时钟：时钟在同步设计中是非常重要的。

A． 时钟当然得用专用时钟引脚输入，用普通I/O会导致更严重的时钟偏移。高时钟偏移会导致hold time违规。时钟在芯片内部会使用全局时钟网络，全局异步复位信号也可以使用全局时钟网络。全局时钟网络能保证信号1点到多点的相同延迟。也就是说，某个信号，从输入引脚，通过全局时钟网络，到内部的各个寄存器，虽然走的是不同路径，但这些路径的延迟是一样的。

B． 内部生成的时钟。组合逻辑不能处理毛刺，对组合逻辑的输入信号，用高频时钟过滤毛刺，对组合逻辑的输出信号，也可以用高频时钟过滤毛刺。

C． 时钟分频。使用PLL，可以对时钟分频。PLL还可以精确控制输出时钟的相位。

D． 时钟翻转。使用PLL对时钟相位改变，比使用非门效果更好。

E． 多时钟输入。对于一个PLL，可以设置一个主时钟和一个备用时钟。

F． 门控时钟。建议使用Altera提供的专门模块altclkcrtl来实现门控时钟。如果只是想控制输出的稳态，可以对输入加上ena信号，这样还是保持了同步设计。门控时钟和非门控时钟之间是非同步的。门控时钟的控制信号，必须滤除毛刺，否则会影响输出的时钟。对时钟进行门控的位置尽量靠近时钟源，可以减少时钟延迟。

三．芯片级的复位

Cyclone III芯片，支持芯片级的复位，包括清除M9K中的内容。需要开启DEV_CLRn引脚功能。该引脚默认为普通I/O。

四．寄存器上电电平

可以设置寄存器上电时是高电平还是低电平。当然默认是低电平。通过设置Power-Up Level参数实现。

五．设计约束

Quartus II提供了设计约束检查功能，通过该检查，能提高设计的可靠性。检查包括时钟，复位，异步设计等。该项功能默认没有开启。

六．分层和基于团队的设计

增量编译，可以减少设计迭代需要的时间，减少时序收敛需要的时间。

对设计分区（分割），是增量编译的基础。如果用第三方的综合工具，需要生成若干独立的.vqm或者.edf文件。顶层的各个模块之间，最好只有互连线，而没有任何逻辑，逻辑都应包含在各个模块内部。

时序预算和资源分配：模块内部的时序路径可以单独优化好。但如果是跨分区的时序路径，只能在集成后优化。这些时序路径可以通过加上约束来达到要求。资源的分配也要提前计算好，以免集成后出现冲突。除了常见的资源，注意全局时钟资源也是有限的。

计划从底向上和基于团队的流程：在进行底层设计前，必须要知道顶层的相关信息，包括引脚分配，物理约束和时序要求等。Quartus II提供了一些脚本（Generate bottom-up design partition scripts）来实现顶层信息向底层的传递。

可以通过LogicLock实现对设计在物理上分区。通常对时序要求很难达到的模块，才进行LogicLock。对一般模块进行LogicLock反而降低了布局的灵活性。Quartus II的Chip Planner功能，可以精确到对寄存器进行布局，估算物理延迟，观察模块间的连接。