入門FPGA的46個(gè)基本問題

1、什么是Setup 和Holdup時(shí)間？

答：Setup/hold TIme 是測試芯片對輸入信號和時(shí)鐘信號之間的時(shí)間要求。

建立時(shí)間是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號上升沿到來以前，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。輸入信號應(yīng)提前時(shí)鐘上升沿（如上升沿有效）T時(shí)間到達(dá)芯片，這個(gè)T就是建立時(shí)間-Setup TIme。如不滿足setup TIme，這個(gè)數(shù)據(jù)就不能被這一時(shí)鐘打入觸發(fā)器，只有在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)才能被打入觸發(fā)器。

保持時(shí)間是指觸發(fā)器的時(shí)鐘信號上升沿到來以后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時(shí)間。如果holdTIme不夠，數(shù)據(jù)同樣不能被打入觸發(fā)器。

2、什么是競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象？解決辦法？

答：在組合邏輯中，由于門的輸入信號通路中經(jīng)過了不同的延時(shí)，導(dǎo)致到達(dá)該門的時(shí)間不一致叫競爭。產(chǎn)生毛刺叫冒險(xiǎn)。如果布爾式中有相反的信號則可能產(chǎn)生競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象。

解決方法：一是添加布爾式的消去項(xiàng)，二是在芯片外部加電容。三加選通信號。用D觸發(fā)器，格雷碼計(jì)數(shù)器，同步電路等優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案可以消除。

3、如何解決亞穩(wěn)態(tài)？Metastability

答：亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，既無法預(yù)測該單元的輸出電平，也無法預(yù)測何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。在這個(gè)穩(wěn)定期間，觸發(fā)器輸出一些中間級電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無用的輸出電平可以沿信號通道上的各個(gè)觸發(fā)器級聯(lián)式傳播下去。

解決方法：

1 、降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率

2 、用反應(yīng)更快的Flip-Flop

3 、引入同步機(jī)制，防止亞穩(wěn)態(tài)傳播

4 、改善時(shí)鐘質(zhì)量，用邊沿變化快速的時(shí)鐘信號，關(guān)鍵是器件使用比較好的工藝和時(shí)鐘周期的裕量要大。

4、說說靜態(tài)、動態(tài)時(shí)序模擬的優(yōu)缺點(diǎn)

靜態(tài)時(shí)序分析是采用窮盡分析方法來提取出整個(gè)電路存在的所有時(shí)序路徑，計(jì)算信號在這些路徑上的傳播延時(shí)，檢查信號的建立和保持時(shí)間是否滿足時(shí)序要求，通過對最大路徑延時(shí)和最小路徑延時(shí)的分析，找出違背時(shí)序約束的錯誤。它不需要輸入向量就能窮盡所有的路徑，且運(yùn)行速度很快、占用內(nèi)存較少，不僅可以對芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的時(shí)序功能檢查，而且還可利用時(shí)序分析的結(jié)果來優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此靜態(tài)時(shí)序分析已經(jīng)越來越多地被用到數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證中。

動態(tài)時(shí)序模擬就是通常的仿真，因?yàn)椴豢赡墚a(chǎn)生完備的測試向量，覆蓋門級網(wǎng)表中的每一條路徑。因此在動態(tài)時(shí)序分析中，無法暴露一些路徑上可能存在的時(shí)序問題；

靜態(tài)時(shí)序分析缺點(diǎn)：

1、無法識別偽路徑

2、不適合異步電路

3、不能驗(yàn)證功能

5、用VERILOG寫一段代碼，實(shí)現(xiàn)消除一個(gè)glitch。 濾掉小于1個(gè)周期glitch的原理圖如下：

verilog代碼實(shí)現(xiàn)如下：

module digital_filter_（clk_in，rst，host_rst，host_rst_filter）；

input clk_in;

input rst;

input host_rst;

output host_rst_filter;

reg host_rst_d1;

reg host_rst_d2;

always@（posedge clk_in or negedge rst）

begin

if（~rst）

begin

host_rst_d1 《= 1‘b1;

host_rst_d2 《= 1’b1;

end

else

begin

host_rst_d1 《= host_rst;

host_rst_d2 《= host_rst_d1;

end

end

assign host_rst_filter = host_rst_d1 | host_rst_d2;

endmodule

濾掉大于1個(gè)周期且小于2個(gè)周期glitch的原理圖如下：

verilog代碼實(shí)現(xiàn)如下：

module digital_filter_（clk_in，rst，host_rst，host_rst_filter）；

input clk_in;

input rst;

input host_rst;

output host_rst_filter;

reg host_rst_d1;

reg host_rst_d2;

reg host_rst_d3;

always@（posedge clk_in or negedge rst）

begin

if（~rst）

begin

host_rst_d1 《= 1‘b1;

host_rst_d2 《= 1’b1;

host_rst_d3 《= 1‘b1;

end

else

begin

host_rst_d1 《= host_rst;

host_rst_d2 《= host_rst_d1;

host_rst_d3 《= host_rst_d2;

end

end

assign host_rst_filter = host_rst_d1 | host_rst_d2 | host_rst_d3;

endmodule

6、簡述建立時(shí)間和保持時(shí)間 建立時(shí)間Tsu（setup）：

觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來之前，其數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)必須保持不變的最小時(shí)間。 保持時(shí)間Th（hold）：觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來之后，其數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)必須保持不變的最小時(shí)間。

7、簡述觸發(fā)器和鎖存器之間的差別

鎖存器對電平信號敏感，在輸入脈沖的電平作用下改變狀態(tài)。D觸發(fā)器對時(shí)鐘邊沿敏感，檢測到上升沿或下降沿觸發(fā)瞬間改變狀態(tài)。

8、計(jì)算最小周期

Tco：寄存器時(shí)鐘輸入到數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間 Tdata：寄存器間的走線延遲 Tsu ：建立時(shí)間 Tskew：時(shí)鐘偏斜 最小時(shí)鐘周期：

Tmin = Tco + Tdata + Tsu - Tskew。最快頻率Fmax = 1/Tmin

Tskew = Tclkd – Tclks。

9、時(shí)鐘抖動和時(shí)鐘偏移的概念及產(chǎn)生原因，如何避免？

時(shí)鐘抖動jitter：指時(shí)鐘信號的跳變沿不確定，故是時(shí)鐘頻率上的不一致。

時(shí)鐘偏移Skew：指全局時(shí)鐘產(chǎn)生的各個(gè)子時(shí)鐘信號到達(dá)不同觸發(fā)器的時(shí)間點(diǎn)不同，是時(shí)鐘相位的不一致。jitter主要受外界干擾引起，通過各種抗干擾手段可以避免。而skew由數(shù)字電路內(nèi)部各路徑布局布線長度和負(fù)載不同導(dǎo)致，利用全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可盡量將其消除。

10、同步復(fù)位和異步復(fù)位的區(qū)別

同步復(fù)位是復(fù)位信號隨時(shí)鐘邊沿觸發(fā)有效。異步復(fù)位是復(fù)位信號有效和時(shí)鐘無關(guān)。如異步復(fù)位：

同步復(fù)位：

同步邏輯和異步邏輯的區(qū)別：

1、同步邏輯是時(shí)鐘之間有固定的因果關(guān)系

2、異步邏輯是各時(shí)鐘之間沒有固定的因果關(guān)系

同步電路和異步電路區(qū)別：

1、同步電路有統(tǒng)一的時(shí)鐘源，經(jīng)過PLL分頻后的時(shí)鐘驅(qū)動的模塊，因?yàn)槭且粋€(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘源驅(qū)動，所以還是同步電路

2、異步電路沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘源

同步復(fù)位和異步復(fù)位的優(yōu)缺點(diǎn)：

同步復(fù)位優(yōu)點(diǎn)：

1、有利于仿真器的仿真

2、可以使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)100%成為同步電路，這有利于時(shí)序分析，而且綜合出來的Fmax一般較高

3、因?yàn)樗挥凶哂行У臅r(shí)鐘沿到來時(shí)才有效，所有濾除了高于時(shí)鐘周期頻率的毛刺

缺點(diǎn)：

1、復(fù)位信號必須大于時(shí)鐘周期，才能使其真正被系統(tǒng)識別并完成復(fù)位任務(wù)。同時(shí)還要考慮諸如時(shí)鐘偏斜、組合邏輯路徑延遲等因素。

2、由于大部分的邏輯器件庫中的DFF都只有異步復(fù)位端口，所以采用同步復(fù)位的情況下，綜合器就會在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口插入組合邏輯，這樣會耗費(fèi)更多的邏輯資源。

異步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)：

1、大部分的邏輯器件庫中的DFF都只有異步復(fù)位端口，因此采用異步復(fù)位更省資源

2、設(shè)計(jì)相對簡單

3、異步復(fù)位信號識別方便，可以很方便的使用FPGA的全局復(fù)位端口GSR

缺點(diǎn)：

1、在異步復(fù)位釋放的時(shí)候容易出問題，具體來說就是：假如復(fù)位釋放時(shí)正好在時(shí)鐘有效沿附近，就很容易出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)

2、復(fù)位信號容易受毛刺影響

11、什么是線與邏輯？在硬件電路上有什么要求？

線與邏輯是指兩根線直接相連能夠?qū)崿F(xiàn)與的功能。在硬件上需要OC門，如果不采用OC門會會導(dǎo)致門電路管電流過大而燒壞邏輯門。用OC門實(shí)現(xiàn)線與，應(yīng)在輸出端口加一個(gè)上拉電阻。

12、什么是競爭冒險(xiǎn)？如何判斷？怎么樣消除？

在組合邏輯電路中，同一信號經(jīng)過不同的路徑到達(dá)某一匯合點(diǎn)的時(shí)間有先有后，這種現(xiàn)象稱為競爭。由于競爭而使電路發(fā)生瞬時(shí)錯誤的現(xiàn)象稱為冒險(xiǎn)。

消除方法：1、輸出端加濾波電容。在輸出端和地直接接一個(gè)幾十皮法的電容可以吸收掉尖峰干擾脈沖。2、加選通脈沖 3、修改邏輯設(shè)計(jì) 4、利用格雷碼每次只有一位跳變，消除了競爭冒險(xiǎn)產(chǎn)生的條件。

舉例：

下面這個(gè)電路，使用了兩個(gè)邏輯門，一個(gè)非門和一個(gè)與門，本來在理想情況下F的輸出應(yīng)該是一直穩(wěn)定的0輸出，但是實(shí)際上每個(gè)門電路從輸入到輸出是一定會有時(shí)間延遲的，這個(gè)時(shí)間通常叫做電路的開關(guān)延遲。而且制作工藝、門的種類甚至制造時(shí)微小的工藝偏差，都會引起這個(gè)開關(guān)延遲時(shí)間的變化。

F = A & ~A

有競爭不一定產(chǎn)生冒險(xiǎn)，如紅線處。有冒險(xiǎn)一定存在競爭。

13、異步FIFO深度計(jì)算

如果數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷則FIFO深度無論多少，只要讀寫時(shí)鐘不同源同頻則都會丟數(shù)；FIFO用于緩沖塊數(shù)據(jù)流，一般用在寫快讀慢時(shí)， FIFO深度 / （寫入速率 - 讀出速率） = FIFO被填滿時(shí)間 應(yīng)大于 數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間= 數(shù)據(jù)量 / 寫入速率 例：A/D采樣率50MHz，dsp讀A/D讀的速率40MHz，要不丟失地將10萬個(gè)采樣數(shù)據(jù)送入DSP，在A/D在和DSP之間至少加多大容量（深度）的FIFO才行？100，000 / 50MHz = 1/ 500 s = 2ms （50MHz - 40MHz）* 1/500 = 20k既是ＦＩＦＯ深度。

14、畫出用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)2倍分頻的邏輯電路

將D觸發(fā)器的Q非端接到數(shù)據(jù)輸入端D即可實(shí)現(xiàn)二分頻，說白了就是CLK時(shí)鐘信號的一個(gè)周期Q端電平反轉(zhuǎn)一次。Q和~Q輸出的都是二分頻電路，只不過是反相的。~Q是先高后低。

四分頻電路：

15、系統(tǒng)最高速度計(jì)算（最快時(shí)鐘頻率）和流水線設(shè)計(jì)思想：

同步電路的速度是指同步系統(tǒng)時(shí)鐘的速度，同步時(shí)鐘愈快，電路處理數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔越短，電路在單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量就愈大。

假設(shè)Tco是觸發(fā)器的輸入數(shù)據(jù)被時(shí)鐘打入到觸發(fā)器到數(shù)據(jù)到達(dá)觸發(fā)器輸出端的延時(shí)時(shí)間（Tco=Tsetpup+Thold）；Tdelay是組合邏輯的延時(shí)；Tsetup是Ｄ觸發(fā)器的建立時(shí)間。假設(shè)數(shù)據(jù)已被時(shí)鐘打入D觸發(fā)器，那么數(shù)據(jù)到達(dá)第一個(gè)觸發(fā)器的Ｑ輸出端需要的延時(shí)時(shí)間是Tco，經(jīng)過組合邏輯的延時(shí)時(shí)間為Tdelay，然后到達(dá)第二個(gè)觸發(fā)器的Ｄ端，要希望時(shí)鐘能在第二個(gè)觸發(fā)器再次被穩(wěn)定地打入觸發(fā)器，則時(shí)鐘的延遲必須大于Tco＋Tdelay＋Tsetup，也就是說最小的時(shí)鐘周期Tmin =Tco＋Tdelay＋Tsetup，即最快的時(shí)鐘頻率Fmax =1/Tmin。

FPGA開發(fā)軟件也是通過這種方法來計(jì)算系統(tǒng)最高運(yùn)行速度Fmax。因?yàn)門co和Tsetup是由具體的器件工藝決定的，故設(shè)計(jì)電路時(shí)只能改變組合邏輯的延遲時(shí)間Tdelay，所以說縮短觸發(fā)器間組合邏輯的延時(shí)時(shí)間是提高同步電路速度的關(guān)鍵所在。由于一般同步電路都大于一級鎖存，而要使電路穩(wěn)定工作，時(shí)鐘周期必須滿足最大延時(shí)要求。故只有縮短最長延時(shí)路徑，才能提高電路的工作頻率。

可以將較大的組合邏輯分解為較小的N塊，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄆ骄峙浣M合邏輯，然后在中間插入觸發(fā)器，并和原觸發(fā)器使用相同的時(shí)鐘，就可以避免在兩個(gè)觸發(fā)器之間出現(xiàn)過大的延時(shí)，消除速度瓶頸，這樣可以提高電路的工作頻率。

這就是所謂“流水線”技術(shù)的基本設(shè)計(jì)思想，即原設(shè)計(jì)速度受限部分用一個(gè)時(shí)鐘周期實(shí)現(xiàn)，采用流水線技術(shù)插入觸發(fā)器后，可用N個(gè)時(shí)鐘周期實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)的工作速度可以加快，吞吐量加大。注意，流水線設(shè)計(jì)會在原數(shù)據(jù)通路上加入延時(shí)，另外硬件面積也會稍有增加。

16、FPGA設(shè)計(jì)工程師努力的方向：

SOPC、SOC，高速串行I/O，低功耗，可靠性，可測試性和設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程的優(yōu)化等方面。隨著芯片工藝的提高，芯片容量、集成度都在增加，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)也朝著高速、高度集成、低功耗、高可靠性、高可測、可驗(yàn)證性發(fā)展。芯片可測、可驗(yàn)證，正在成為復(fù)雜設(shè)計(jì)所必備的條件，盡量在上板之前查出bug，將發(fā)現(xiàn)bug的時(shí)間提前，這也是一些公司花大力氣設(shè)計(jì)仿真平臺的原因。另外隨著單板功能的提高、成本的壓力，低功耗也逐漸進(jìn)入FPGA設(shè)計(jì)者的考慮范圍，完成相同的功能下，考慮如何能夠使芯片的功耗最低，據(jù)說altera、xilinx都在根據(jù)自己的芯片特點(diǎn)整理如何降低功耗的文檔。高速串行IO的應(yīng)用，也豐富了FPGA的應(yīng)用范圍，像xilinx的v2pro中的高速鏈路也逐漸被應(yīng)用。

17、異步信號同步處理

對于單bit信號：慢時(shí)鐘域到快時(shí)鐘域信號的轉(zhuǎn)換，用沿同步：

要求輸入異步信號的寬度應(yīng)該有兩個(gè)快速時(shí)鐘域的時(shí)鐘周期（在快時(shí)鐘域下打兩拍，采上升沿。需要前面的限制嗎？）?？鞎r(shí)鐘域到慢時(shí)鐘域信號的轉(zhuǎn)換，用脈沖同步：

要求輸入異步脈沖信號之間的間隔至少要在兩個(gè)慢速時(shí)鐘的時(shí)鐘周期之上，如果小于這 個(gè)值，兩個(gè)快時(shí)鐘域的單bit信號轉(zhuǎn)到慢時(shí)鐘域可能就變成了一個(gè)兩周期寬度的信號了。

18、FPGA中可以綜合實(shí)現(xiàn)為RAM/ROM/CAM的三種資源及其注意事項(xiàng)？

三種資源：BLOCK RAM，觸發(fā)器（FF），查找表（LUT）；

注意事項(xiàng)：

1、在生成RAM等存儲單元時(shí)，應(yīng)該首選BLOCK RAM 資源；其原因有二：第一：使用BLOCK RAM等資源，可以節(jié)約更多的FF和4-LUT等底層可編程單元。使用BLOCK RAM可以說是“不用白不用”，是最大程度發(fā)揮器件效能，節(jié)約成本的一種體現(xiàn)；第二：BLOCK RAM是一種可以配置的硬件結(jié)構(gòu)，其可靠性和速度與用LUT和REGISTER構(gòu)建的存儲器更有優(yōu)勢。

2、弄清FPGA的硬件結(jié)構(gòu)，合理使用BLOCK RAM資源；

3、分析BLOCK RAM容量，高效使用BLOCK RAM資源；

4、分布式RAM資源（DISTRIBUTE RAM） 查找表（look-up-table）簡稱為LUT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。目前FPGA中多使用4（V7和A7都是6輸入）輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有 4位地址線的16x1的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可

19、HDL語言的層次概念？

HDL語言是分層次的、類型的，最常用的層次概念有系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)級、功能模塊級，行為級，寄存器傳輸級和門級。系統(tǒng)級，算法級，RTL級（行為級），門級，開關(guān)級

20、IC設(shè)計(jì)前端到后端的流程和EDA工具？

設(shè)計(jì)前端也稱邏輯設(shè)計(jì)，后端設(shè)計(jì)也稱物理設(shè)計(jì)，兩者并沒有嚴(yán)格的界限，一般涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計(jì)就是后端設(shè)計(jì)。

1、規(guī)格制定：客戶向芯片設(shè)計(jì)公司提出設(shè)計(jì)要求。

2、詳細(xì)設(shè)計(jì)：芯片設(shè)計(jì)公司（Fabless）根據(jù)客戶提出的規(guī)格要求，拿出設(shè)計(jì)解決方案和具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，劃分模塊功能。目前架構(gòu)的驗(yàn)證一般基于systemC語言，對價(jià)后模型的仿真可以使用systemC的仿真工具。例如：CoCentric和Visual Elite等。

3、HDL編碼：設(shè)計(jì)輸入工具：ultra ，visual VHDL等

4、仿真驗(yàn)證：modelsim

5、邏輯綜合：synplify

6、靜態(tài)時(shí)序分析：synopsys的Prime Time

7、形式驗(yàn)證：Synopsys的Formality

IC設(shè)計(jì)分為前端和后端。前端設(shè)計(jì)主要將HDL語言--》網(wǎng)表，后端設(shè)計(jì)是網(wǎng)表--》芯片版圖。前端主要有需求分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)、RTL設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、邏輯綜合、STA、形式驗(yàn)證。后端主要包括DFT、布局規(guī)劃、布線以及版圖物理驗(yàn)證。

21、MOORE 與 MEELEY狀態(tài)機(jī)的特征？

Moore 狀態(tài)機(jī)的輸出僅與當(dāng)前狀態(tài)值有關(guān)， 且只在時(shí)鐘邊沿到來時(shí)才會有狀態(tài)變化。Mealy 狀態(tài)機(jī)的輸出不僅與當(dāng)前狀態(tài)值有關(guān)， 而且與當(dāng)前輸入值有關(guān)。

22、說說靜態(tài)、動態(tài)時(shí)序模擬的優(yōu)缺點(diǎn)？

靜態(tài)時(shí)序分析是采用窮盡分析方法來提取出整個(gè)電路存在的所有時(shí)序路徑，計(jì)算信號在這些路徑上的傳播延時(shí)，檢查信號的建立和保持時(shí)間是否滿足時(shí)序要求，通過對最大路徑延時(shí)和最小路徑延時(shí)的分析，找出違背時(shí)序約束的錯誤。 它不需要輸入向量就能窮盡所有的路徑，且運(yùn)行速度很快、占用內(nèi)存較少，不僅可以對芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的時(shí)序功能檢查，而且還可利用時(shí)序分析的結(jié)果來優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此靜態(tài)時(shí)序分析已經(jīng)越來越多地被用到數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證中。動態(tài)時(shí)序模擬就是通常的仿真，因?yàn)椴豢赡墚a(chǎn)生完備的測試向量，覆蓋門級網(wǎng)表中的每一條路徑。因此在動態(tài)時(shí)序分析中，無法暴露一些路徑上可能存在的時(shí)序問題；

23、FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)及資源：

FPGA主要由可編程單元、可編程I/O單元及布線資源構(gòu)成?？删幊踢壿媶卧膳渲眠壿媶卧?，CLB）由兩個(gè)SLICE構(gòu)成，SLICE主要包括實(shí)現(xiàn)組合邏輯的LUT和實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯的觸發(fā)器。FPGA內(nèi)部還包含專用存儲單元BRAM，運(yùn)算單元DSP Slice，及專用內(nèi)嵌功能單元，如：PLL、Serdes等。

24、名詞解釋，寫出下列縮寫的中文（或者英文）含義：

FPGA ：Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列

VHDL：（ Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language） 甚高速集成電路硬件描述語言

HDL ：Hardware Description Language硬件描述語言

EDA：Electronic Design Automation 電子設(shè)計(jì)自動化

CPLD：Complex Programmable Logic Device 復(fù)雜可編程邏輯器件

PLD ：Programmable Logic Device 可編程邏輯器件

GAL：generic array logic 通用陣列邏輯

LAB：Logic Array Block 邏輯陣列塊

CLB ：Configurable Logic Block 可配置邏輯模塊

EAB： Embedded Array Block 嵌入式陣列塊

SOPC： System-on-a-Programmable-Chip可編程片上系統(tǒng)

LUT ：Look-Up Table 查找表

JTAG： Joint Test Action Group 聯(lián)合測試行為組織

IP： Intellectual Property 知識產(chǎn)權(quán)

ASIC ：Application Specific Integrated Circuits 專用集成電路

ISP ：In System Programmable 在系統(tǒng)可編程

ICR ：In Circuit Re-config 在電路可重構(gòu)

RTL： Register Transfer Level 寄存器傳輸級

25、FPGA內(nèi)部LUT實(shí)現(xiàn)組合邏輯的原理：

LUT相當(dāng)于存放邏輯表達(dá)式對應(yīng)真值表的RAM。軟件將邏輯表達(dá)式所有可能結(jié)果列出后存放在RAM中，輸入作為RAM地址，輸出為邏輯運(yùn)算結(jié)果。如使用LUT模擬二輸入“與”邏輯。列出真值表：00 – 0，01 – 0，10 – 0，11 – 1。此時(shí)將00 01 10 11作為地址線，依次將結(jié)果0 0 0 1存放在RAM中。當(dāng)輸入00時(shí)及輸出0&0=0.

26、 低功耗技術(shù)：

功耗可用公式描述：Power = KFCV^2，即功率等于常數(shù)系數(shù)工作頻率負(fù)載電容值*電壓的平方。故從以下幾個(gè)方面降低功耗方式：

1、控制工作頻率：降低頻率增大數(shù)據(jù)路徑寬度，動態(tài)頻率調(diào)整，門控時(shí)鐘（時(shí)鐘使能有效時(shí)鐘才進(jìn)入寄存器時(shí)鐘輸入引腳）

2、減少電容負(fù)載：使用幾何尺寸更小的邏輯門，其電容負(fù)載較小，功率也隨之減少。

3、降低工作電壓：動態(tài)改變工作電壓、零操作電壓（直接關(guān)閉系統(tǒng)中一部分的電源）

27、MOS管基本概念及畫圖：

MOS中文意思是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，由柵極（G）、漏級（D）、源級（S）組成。分為PMOS和NMOS兩種類型，區(qū)別在于G級高電平時(shí)，N型管導(dǎo)通，P型管截止。兩者往往是成對出現(xiàn)的，即CMOS。只要一只導(dǎo)通，另一只則不導(dǎo)通，現(xiàn)代單片機(jī)主要是采用CMOS工藝制成的。畫圖一般需要根據(jù)一個(gè)簡單的邏輯表達(dá)式，畫出CMOS電路圖結(jié)構(gòu)。需要掌握常用邏輯門的實(shí)現(xiàn)方式。

總體來看還是挺好記的，與非門和或非門都是上下各兩個(gè)MOS管，且上面是PMOS，下面是NMOS。不同之處在于與非是“上并下串”，或非是“上串下并”。

28、FPGA詳細(xì)設(shè)計(jì)流程（面試提問）

與數(shù)字IC設(shè)計(jì)流程類似，以xilinx vivado工具為例，主要有以下步驟：系統(tǒng)規(guī)劃、RTL輸入、行為仿真、邏輯綜合、綜合后仿真（可選）、綜合后設(shè)計(jì)分析（時(shí)序及資源）、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)（包括布局布線及優(yōu)化）、實(shí)現(xiàn)后設(shè)計(jì)分析（時(shí)序及資源）、板級調(diào)試、bitstream固化。

29、時(shí)序約束相關(guān)有哪幾種時(shí)序路徑：

input paths：外部引腳到內(nèi)部寄存器

register-to-register paths：系統(tǒng)內(nèi)部寄存器到寄存器路徑

output paths：內(nèi)部寄存器到外部引腳的路徑

port to port paths:FPGA輸入端口到輸出端口路徑（不常用）

30、創(chuàng)建時(shí)序約束的關(guān)鍵步驟：

baseline約束：create clocksdefine clocks interactions

I/O約束：set input and output delays

例外約束：set timing execptions（set_max_delay/set_min_delay、set_multicycle_path、set_false_path）

設(shè)計(jì)初期可先不加I/O約束，但baseline約束要盡早建立。

31、SRAM和DRAM的區(qū)別

SRAM是靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器，由晶體管存儲數(shù)據(jù)，無需刷新，讀寫速度快。

DRAM是動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器，由電容存儲數(shù)據(jù)，由于電容漏電需要動態(tài)刷新，電容充放電導(dǎo)致讀寫速度較SRAM低。但DRAM成本較低，適合做大容量片外緩存。

32、CMOS和TTL電路區(qū)別是什么？

兩者區(qū)別主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

結(jié)構(gòu)：CMOS電路由場效應(yīng)管構(gòu)成，TTL由雙極性晶體管構(gòu)成。

電平范圍：CMOS邏輯電平范圍大（5~15V），TTL只工作在5V以下，因此CMOS噪聲容限比TTL大，抗干擾能力強(qiáng)。

功耗與速率：CMOS的功耗比TTL小，但工作頻率低于TTL。

TTL不能直接驅(qū)動CMOS電平，需要加上拉電阻，而CMOS可以直接驅(qū)動TTL

33、JTAG接口信號及功能

JTAG實(shí)際上使用的只有四個(gè)信號：時(shí)鐘TCK、狀態(tài)機(jī)控制信號TMS、數(shù)據(jù)輸入信號TDI、數(shù)據(jù)輸出信號TDO。

34、上拉電阻用途：

1、當(dāng) TTL 電路驅(qū)動 COMS 電路時(shí)，如果 TTL 電路輸出的高電平低于 COMS 電路的最低 高電平 （一般為 3.5V ） ， 這時(shí)就需要在 TTL 的輸出端接上拉電阻， 以提高輸出高電平的值。

2、 OC 門電路必須加上拉電阻，以提高輸出的高 電平值。

3、為加大輸出引腳的驅(qū)動能力，有的單片機(jī)管腳上也常使用上拉電阻。

4、在 COMS 芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產(chǎn)生降低輸入阻抗，提供泄荷通路。

5、芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強(qiáng)抗干擾能力。

6、提高總線的抗電磁干擾能力。管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。

7、長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾

35、有四種復(fù)用方式，頻分多路復(fù)用，寫出另外三種

四種復(fù)用方式：頻分多路復(fù)用（ FDMA ），時(shí)分多路復(fù)用（ TDMA ），碼分多路復(fù)用（CDMA ），波分多路復(fù)用（ WDM A） 。

36、基爾霍夫定理的內(nèi)容

基爾霍夫定律包括電流定律和電壓定律：

電流定律：在集總電路中， 在任一瞬時(shí)， 流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和 。

電壓定律：在集總電路中，在任一瞬間， 沿電路中的任一回路繞行一周，在該回路上電動勢之和恒等于各電阻上的電壓降之和

37、三段式狀態(tài)機(jī)

一段式：只有一個(gè)always block，把所有的邏輯（輸入、輸出、狀態(tài)）都在一個(gè)always block的時(shí)序邏輯中實(shí)現(xiàn)。這種寫法看起來很簡潔，但是不利于維護(hù)，如果狀態(tài)復(fù)雜一些就很容易出錯，不推薦這種方法。 在簡單的狀態(tài)機(jī)可以使用。

二段式：有兩個(gè)always block，把時(shí)序邏輯和組合邏輯分隔開來。時(shí)序邏輯里進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)和下一狀態(tài)的切換，組合邏輯實(shí)現(xiàn)各個(gè)輸入、輸出以及狀態(tài)判斷。這種寫法不僅便于閱讀、理解、維護(hù)，而且利于綜合器優(yōu)化代碼，利于用戶添加合適的時(shí)序約束條件，利于布局布線器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。在兩段式描述中，當(dāng)前狀態(tài)的輸出用組合邏輯實(shí)現(xiàn)，可能存在競爭和冒險(xiǎn)，產(chǎn)生毛刺。

要求對狀態(tài)機(jī)的輸出用寄存器打一拍，但很多情況不允許插入寄存器節(jié)拍，此時(shí)使用三段式描述。其優(yōu)勢在于能夠根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，在上一狀態(tài)根據(jù)輸入條件判斷出當(dāng)前狀態(tài)的輸出，從而不需要額外插入時(shí)鐘節(jié)拍。

三段式：有三個(gè)always block，一個(gè)時(shí)序邏輯采用同步時(shí)序的方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，一個(gè)采用組合邏輯的方式判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件、描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律，第三個(gè)模塊使用同步時(shí)序的方式描述每個(gè)狀態(tài)的輸出。代碼容易維護(hù)，時(shí)序邏輯的輸出解決了兩段式組合邏輯的毛刺問題，但是從資源消耗的角度上看，三段式的資源消耗多一些。二段式和三段式的區(qū)別主要是每個(gè)狀態(tài)的輸出使用組合邏輯還是用時(shí)序邏輯，組合邏輯實(shí)現(xiàn)，可能存在競爭和冒險(xiǎn)，產(chǎn)生毛刺。

38、什么是狀態(tài)圖？

狀態(tài)圖是以幾何圖形的方式來描述時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律以及輸出與輸入的關(guān)系。

39、用你熟悉的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)一個(gè)可預(yù)置初值的 7 進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)器 ，15 進(jìn)制的呢？

module counter7（clk，rst，load，data，cout）；

input clk，rst，load;

input ［2:0］ data;

output reg ［2:0］ cout;

always@（posedge clk） begin

if（！rst）

cout《=3 ’ d0;

else if（load）

cout《=data;

else if（cout》=3 ‘ d6）

cout《=3 ’ d0;

else

cout《=cout+3 ‘ d1;

end

endmodule

40、你所知道的可編程邏輯器件有哪些？

PAL ， PLA ， GAL ， CPLD ， FPGA

41、SRAM，F(xiàn)ALSH MEMORY，DRAM ， SSRAM及 SDRAM的區(qū)別 ？

SRAM ：靜態(tài)隨機(jī)存儲器，存取速度快，但容量小，掉電后數(shù)據(jù)會丟失，不像DRAM需要不停的 REFRESH ，制造成本較高，通常用來作為快?。–ACHE）記憶體使用。

FLASH ：閃存，存取速度慢，容量大，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失

DRAM ：動態(tài)隨機(jī)存儲器，必須不斷的重新的加強(qiáng) （REFRESHED） 電位差量，否則電位差將降低至無法有足夠的能量表現(xiàn)每一個(gè)記憶單位處于何種狀態(tài)。價(jià)格比 SRAM 便宜，但訪問速度較慢，耗電量較大，常用作計(jì)算機(jī)的內(nèi)存使用。

SSRAM ：即同步靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器。對于 SSRAM 的所有訪問都在時(shí)鐘的上升 /下降沿啟動。地址、數(shù)據(jù)輸入和其它控制信號均于時(shí)鐘信號相關(guān)。

SDRAM ：即同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器。

42、有源濾波器和無源濾波器的區(qū)別

無源濾波器：這種電路主要有無源元件 R、 L 和 C組成

有源濾波器：集成運(yùn)放和 R、C 組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高， 輸出電阻小， 構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限， 所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。

43. 什么是同步邏輯和異步邏輯？

同步時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)：各觸發(fā)器的時(shí)鐘端全部連接在一起，并接在系統(tǒng) 時(shí)鐘端，只有當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，電路的狀態(tài)才能改變。改變后的狀態(tài)將一直保持到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的到來，此時(shí)無論外部輸入有無變化，狀態(tài)表中的每個(gè)狀態(tài)都是穩(wěn)定的。

異步時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)：電路中除可以使用帶時(shí)鐘的觸發(fā)器外，還可以使用不帶 時(shí)鐘的觸發(fā)器和延遲元件作為存儲元件，電路中沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘，電路狀態(tài)的改變由外 部輸入的變化直接引起。同步邏輯是時(shí)鐘之間有固定的因果關(guān)系。異步邏輯是各時(shí)鐘之間沒有固定的因果關(guān)系。

44. 同步復(fù)位和異步復(fù)位的區(qū)別

同步復(fù)位是在時(shí)鐘沿變化時(shí)，完成復(fù)位動作。

優(yōu)點(diǎn)：1）抗干擾能力高，可以提出復(fù)位信號中周期短于時(shí)鐘周期的毛刺；2）有利于靜態(tài)時(shí)序分析工具的分析；3）有利于基于周期的仿真工具的仿真。

缺點(diǎn)：1）占用更多資源；2）對復(fù)位信號的脈沖寬度有要求，由于線路上的延遲；可能需要多個(gè)時(shí)鐘周期的復(fù)位脈沖的寬度，而且很難保證復(fù)位信號到達(dá)各個(gè)寄存器的時(shí)序；3）同步復(fù)位依賴時(shí)鐘，如果電路中時(shí)鐘信號出現(xiàn)問題則無法復(fù)位。

異步復(fù)位是只要復(fù)位信號滿足條件就完成復(fù)位動作。

優(yōu)點(diǎn)：1）不需要額外的邏輯資源，實(shí)現(xiàn)簡單；2）復(fù)位信號不依賴于時(shí)鐘。

缺點(diǎn)：1）復(fù)位信號易受外界干擾，并對電路內(nèi)的毛刺敏感；2）復(fù)位信號的隨機(jī)性可能導(dǎo)致時(shí)序違規(guī)，也就是復(fù)位信號釋放時(shí)在時(shí)鐘有效沿附近，會使電路處于亞穩(wěn)態(tài)。

45. FPGA芯片內(nèi)有哪兩種儲存器資源？

FPGA 芯片內(nèi)有兩種存儲器資源：一種叫block ram，另一種是由 LUT 配置成的內(nèi)部存儲器（也就是分布式ram）。Blockram由一定數(shù)量固定大小的存儲塊構(gòu)成的，使用BLOCK RAM資源不占用額外的邏輯資源，并且速度快。但是使用的時(shí)候消耗BLOCKRAM的資源是其塊大小的整數(shù)倍。

46. 什么是競爭與冒險(xiǎn)現(xiàn)象？怎樣判斷？怎樣消除？

競爭：在組合邏輯中，由于門的輸入信號通路 中經(jīng)過了不同的延時(shí)，導(dǎo)致到達(dá)該門的時(shí)間不一致叫競爭。

冒險(xiǎn)：由于競爭而使電路輸出發(fā)生瞬時(shí)錯誤的現(xiàn)象叫做冒險(xiǎn)。（也就是由于競爭產(chǎn)生的毛刺叫做冒險(xiǎn)）

判斷方法：1）代數(shù)法：如果布爾式中有相反的信號則很有可能產(chǎn)生競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象；2）圖形法：有兩個(gè)相切的卡諾圈并且相切處沒有被其他卡諾圈包圍，就有可能出現(xiàn)競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象； 3）實(shí)驗(yàn)法：使用示波器觀測。

解決方法：1）加濾波電路，消除毛刺影響；2）加選通信號，避開毛刺；3）增減冗余項(xiàng)消除邏輯冒險(xiǎn)。

審核編輯 ：李倩