FPGA / CPLD の一般的な開発フロー／トップページ - 半導体事業

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FPGA トップページへようこそ！

このページでは、インテルの FPGA の開発フローを説明し、各開発フェーズで皆さんに参照してほしい情報を紹介しています。下の図は FPGA の開発フローで、この流れで FPGA の開発を進めていきます。

そもそも、FPGA って何？と思っている方や FPGA を使ってみたいけど、何からやったら良いかわからない！という方は、こちらの記事が必見です！

▶　FPGA は魔法の箱や～！

＜ほんとのほんとの導入編＞
▶　その1. FPGA 開発をはじめるための環境づくり
▶　その2. FPGA 開発をはじめるために準備するもの
▶　その3. FPGA 開発をはじめるために必要な知識
▶　その4. FPGA 開発の流れ
▶　その5. 役立つコンテンツの紹介

インテル® FPGA の開発を行うには、インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアを使用します。Quartus® Prime の基本的な操作を簡単に理解したい方は、このチュートリアルで習得することができます。

▶　Quartus Prime 簡易チュートリアル

各開発フェーズへジャンプするには、左側（←）の該当するフェースをクリックしてください。

1.　準備
　　　ダウンロード　/　インストール　/　ライセンスの設定
2.　機能仕様の検討
　　　FPGA の選定　/　コンフィギュレーション　/　電源＆消費電力の見積もり　/　ボード・シミュレーション
3.　論理回路の設計
　　　IP の情報　/　Nios® II の情報　/　SoC FPGA の情報　/　OpenCL™ の情報
　　　High Level Synthesis (HLS) の情報　/　HDL による設計が初めての方
4.　論理シミュレーション
5.　制約の設定
6.　コンパイル
7.　タイミング検証
8.　プログラミング
9.　実機検証
10.　量産

1. 準備

対応状況の確認

FPGA / CPLD をデザインして開発を進める前に、用意すべき開発環境について調べましょう。

開発する FPGA / CPLD のファンクションや採用するデバイスによって、使用する開発ソフトウェアが異なります。ちなみに、開発ソフトウェアのことを「ツール」と呼んだりします。ツールをインストールする PC の OS や搭載するメモリ容量なども、事前に確認しましょう。

＜サポート対応表＞
▶　Quartus® Prime - サポート Windows® OS 対応表
▶　Quartus® Prime - サポート・デバイス対応表

▶　ツールおよびソフトウェア要件（外部サイト：インテル）

PC に搭載するメモリ容量は、開発する FPGA / CPLD によって異なります。詳細は、リリース・ノートに書かれています。（リリース・ノート内を Memory Recommendations で検索すると、見つけやすいです。）

＜リリース・ノート＞
▶　Quartus® Prime Pro Edition のリリース・ノート <PDF>（外部サイト：インテル）
▶　Quartus® Prime Standard Edition のリリース・ノート <PDF>（外部サイト：インテル）

開発ツールに関する情報を確認したら、インテルの Web サイトから各種ツールをダウンロードできます。ダウンロードをするにはマイ・インテルへサインインする必要があります。アカウントを持っていない場合は、アカウントを作成しましょう！

▶　マイ・インテル（外部サイト：インテル）
▶　マイ・インテル（インテル® FPGA プログラム）の登録方法

マイ・インテルへサインインできたら、ダウンロード・センターから必要なツールをダウンロードします。実際にダウンロードする前に、使用するツールやエディションを確認しましょう。インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアのバージョンやエディションによって、サポート Windows® OS やデバイスが異なります。詳細は、下記の資料を参照してください。（ちなみに、バージョン 15.0 以前は Quartus® II という名称でした。）

▶　ダウンロード・センター（外部サイト：インテル）

また、開発ツールにはライセンスが必要な有償版とライセンスが必要ない無償版があります。サポートするデバイスや機能に違いがあります。

＜エディション比較＞
▶　Quartus® Prime のエディション比較（外部サイト：インテル）

ダウンロード

ツールのダウンロードについては、以下のページをご覧ください。

▶　インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアおよび ModelSim® - Intel® FPGA Edition のダウンロード方法

インストール

インストールしたいツールのインストール・ファイル（インストーラ）をダウンロードしたら、次はインストールです。各アルテラ・ツールのインストール方法がわからない場合は、こちらをご覧ください。（Nios® II エンベデッド・プロセッサを使用する場合は Nios® II ソフトウェア・ビルド・ツール（Nios® II SBT）も必要ですが、Nios® II SBT は Quartus® Prime のインストールと同時に自動的に行われます。）

▶　インテル® Quartus® Prime 開発ソフトウェアおよび ModelSim® - Intel® FPGA Edition のインストール方法
▶　インテル® SoC FPGA エンベデッド開発スイート（SoC EDS）のインストール方法
▶　インテル® FPGA SDK for OpenCL™ のインストール方法

ライセンスの設定

ツールのインストールが済んだら、ライセンスの設定を行います。但し、無償で使用できるツールやエディション（Quartus® Prime ライト・エディションや ModelSim® - Intel® FPGA Starter Edition など）は、ライセンス設定せずに使用できます。
ライセンスの生成や更新作業などは、インテルの Web サイト上でマイ・インテルへサインインして、ライセンス・センター内で行います。詳しくは、こちらをご覧ください。

▶　新規ライセンス購入時のライセンスを取得する方法
▶　保守更新時のライセンスを取得する方法
▶　ライセンスに紐づいた NIC ID (Host ID) を変更する方法
▶　発行済みライセンス・ファイルを再取得する方法
▶　FPGA 開発キット用のライセンスを取得する方法

ライセンス・ファイルを取得したら、ライセンスを設定してツールを使用できるようにしましょう。インテル® FPGA のライセンスには Fixed ライセンス と Floating ライセンス の２種類がありますが、それぞれ設定方法が異なります。

▶　Quartus® Prime のライセンス形態
▶　インテル® FPGA ツールのライセンス設定方法（Fixed / 環境変数の LM_LICENSE_FILE 編）
▶　インテル® FPGA ツールのライセンス設定方法（Floating / 環境変数の LM_LICENSE_FILE 編）
▶　Arm® DS-5™ のライセンス設定方法

2. 機能仕様の検討

FPGA / CPLD に実装する機能の仕様を検討し、ブロック図や仕様書を作成します。机上で検討したり、Quartus® Prime / Quartus® II を使って簡単なデザイン（回路）を作成してみたりして、実装したい機能が実現可能かどうかを十分に検討していきます。

なお、信頼性の高い論理回路を構築するには、FPGA / CPLD を RTL 設計していく上でポイントとなるデザイン・テクニックの基本を学ぶことが重要です。論理回路の設計をする前に、FPGA / CPLD ユーザ必見の記事を紹介します。（タイミング制約しやすいので、特に、FPGA / CPLD には同期設計を推奨しています。タイミング制約については、5. 制約の設定をご覧ください。）

[RTL 設計ビギナー必見] シリーズ記事
▶　[RTL 設計ビギナー必見] 同期設計と非同期設計の違い
▶　[RTL 設計ビギナー必見] 非同期信号を入力した際のシステムへ与える影響
▶　[RTL 設計ビギナー必見] ハザード信号のシステムへの影響

さて、FPGA の具体的な検討を進めるにあたって、事前に確認しておいてほしい資料や記事を紹介します。

FPGA の選定

▶　デバイス選定　：　プロダクトセレクター（外部サイト：インテル）
▶　デバイス情報（外部サイト：インテル）
▶　ピン情報　：　ピン接続ガイドライン　/　ピンアウト（外部サイト：インテル）
▶　各種ドキュメント　：　ユーザー・ガイド　/　アプリケーション・ノート（外部サイト：インテル）
▶　開発キット情報（外部サイト：インテル）

コンフィグレーション

▶　FPGA のコンフィグレーション
▶　アクティブ・シリアル・コンフィグレーションデザイン & デバッグ・ガイドライン

電源＆消費電力の見積もり

▶　FPGA の消費電力の種類と計算方法
▶　FPGA の Power & Thermal デザイン & デバッグ・ガイドライン

ボード・シミュレーション

▶　伝送シミュレーション（HyperLynx）
　　　　SI（信号品質）
　　　　PI（電源品質）
　　　　Thermal（熱解析）

3. 論理回路の設計

Quartus® Prime / Quartus® II は、Verilog HDL や SystemVerilog、VHDL などのハードウェア記述言語（HDL）による設計をサポートしていると共に、回路図による設計もサポートしています。また、Quartus® Prime / Quartus® II は HDL と回路図が同一プロジェクト内で混在していても大丈夫です。

Quartus® Prime / Quartus® II を使用してFPGA / CPLD の開発を始めるには、まずプロジェクトを作成する必要があります。プロジェクトを作成後に HDL や回路図でデザイン（回路）を作成していきますが、回路図で設計したい場合は、下記の資料を参照してください。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - プロジェクトの作成方法
▶　Quartus® Prime - 回路図エディタの使い方

＜Quartus® ステップアップ・ガイド＞－中級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - プロジェクトの管理
▶　Quartus® Prime - デバイス・マイグレーション
▶　Quartus® Prime - Qsys システム統合ツールの使い方

※　Qsys は Quartus Prime v17.1 から Platform Designer へ名称変更されました。

IP の情報

インテルやサード・パーティから、様々な Intellectual Property (IP) が FPGA 向けに提供されています。IP を使う方は参考にしてください。

▶　インテル® FPGA IP とは？　（外部サイト：インテル）

＜PLL＞
▶　インテル® FPGA の PLL　（← どの PLL 編を参照するかは、このページを確認してください）
　　　　IOPLL 編　/　Altera PLL 編　/　ALTPLL 編

＜External Memory Interface＞
▶　インテル® FPGA に DDR メモリ・コントローラを実装！
　　　　FPGA の EMIF デザイン & デバッグ・ガイドライン
　　　　 DDR4　/　DDR3

＜PCI Express＞
▶　インテル® FPGA で PCI Express
　　　　FPGA の PCI Express デザイン & デバッグ・ガイドライン
　　　　 Avalon-ST 編　/　Avalon-MM 編

＜JESD204＞
▶　インテル® FPGA で JESD204B

Nios® II の情報

Nios® II プロセッサーをデザインに実装する方は、こちらの資料や記事を参考にしてください。

▶　インテル® FPGA の Nios® II プロセッサー
▶　Nios® II プロセッサーとは？（外部サイト：インテル）

SoC FPGA の情報

Arm® コア内蔵の SoC FPGA を使用する方は、こちらの資料や記事を参考にしてください。

▶　インテル® FPGA の SoC FPGA
▶　SoC FPGA とは？（外部サイト：インテル）

OpenCL™ の情報

インテル® FPGA SDK for OpenCL™ を使用する方は、こちらの資料や記事を参考にしてください。

▶　インテル® FPGA SDK for OpenCL™ とは？（外部サイト：インテル）

High Level Synthesis (HLS) の情報

インテル® HLS コンパイラを使用する方は、こちらの資料や記事を参考にしてください。

▶　インテル® FPGA の HLS コンパイラー
▶　インテル® HLS コンパイラーとは？（外部サイト：インテル）

HDL による設計が初めての方

ハードウェア技術言語（HDL）の記述方法がわからない方は、テキストと演習問題で学習できるコンテンツを用意しています。これを習得すれば、最低限の記述ができるようになります。是非、ご覧ください。

▶　はじめてみよう！Verilog HDL <演習問題つき>
▶　はじめてみよう！VHDL <演習問題つき>

4. 論理シミュレーション

設計が終わったら、論理シミュレーションで論理的な検証を行います。シミュレーションは ModelSim® - Intel® FPGA Edition などの RTL シミュレータを使用しますが、Quartus® Prime / Quartus® II でサポートしていた回路図を RTL シミュレータではサポートしていません。Quartus® Prime / Quartus® II の回路図から HDL に変換する方法は、「Quartus® Prime - 回路図エディタの使い方」を参照してください。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　ModelSim® - Intel® FPGA Edition - RTL シミュレーションの方法

5. 制約の設定

RTL シミュレーションが終わったら、ピン配置やデバイスの設定、各種の制約を行うことになります。コンパイルする前には、必ず必要な設定や制約を行ってください。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - デバイス・オプションの設定方法
▶　Quartus® Prime - ピン・アサインの方法
▶　Quartus® Prime - タイミング制約の方法

＜Quartus® ステップアップ・ガイド＞－中級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - EDA ツールの設定方法
▶　Quartus® Prime - 制約の方法（Assignment Editor）
▶　Quartus® Prime - よく使用するピン・オプションの設定方法

6. コンパイル

各種設定や制約が完了したら、コンパイルを行います。フル・コンパイルでは論理合成や配置配線、タイミング解析、プログラミング・ファイルの作成を行います。コンパイルが終わったら、コンパイル・レポートを必ず確認してください。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - コンパイル・レポート・ファイルの見方

＜Quartus® ステップアップ・ガイド＞－中級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - Design Space Explorer II の使い方

7. タイミング検証

コンパイル・レポートと同時にタイミング解析の結果も確認します。コンパイル・レポート上のタイミング解析結果はサマリー情報だけですので、詳細な結果を確認するには TimeQuest タイミング・アナライザを使用します。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - タイミング解析の方法

＜デザイン&デバッグ・ガイドライン＞
▶　タイミング＆インプリメンテーションデザイン & デバッグ・ガイドライン

8. プログラミング

ここまで来たら実機デバッグをすることになりますが、FPGA / CPLD やコンフィギュレーション・デバイスにデータを書き込む時には Quartus® Prime / Quartus® II の Programmer を起動して、インテル® FPGA ダウンロード・ケーブル（USB-Blaster™ II や USB-Blaster™ など）を介してデバイスへ書き込みを行います。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - デバイス・プログラミングの方法

＜Quartus® ステップアップ・ガイド＞－中級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - プログラミング・ファイルの生成や変換（Convert Programming Files）

＜もっと知りたい方＞
▶　FPGA 経由で EPCQ デバイスへプログラミング（JIC プログラミング）
▶　USB-Blaster™ II のドライバーをインストールしてみよう
▶　USB-Blaster™ のドライバーをインストールしてみよう
▶　USB-Blaster™ II の TCK 周波数を変更してみよう

9. 実機検証

評価用基板の電源を再投入し、コンフィグレーション・デバイスから FPGA にデータが正常に転送されれば、FPGA の動作を確認するフェーズに入ります。

＜Quartus® はじめてガイド＞－初級ユーザ向けの資料
▶　Quartus® Prime - Signal Tap ロジック・アナライザの使い方

＜もっと知りたい方＞
▶　FPGA オンチップ・デバッグ " Signal Tap" をやってみよう

※　SignalTap® II は Quartus Prime v17.1 から Signal Tap へ名称変更されました。

10. 量産

実機検証が完了すれば、量産へ移行することができます。

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か

さ

た

な

は

ま

や

ら

わ