數(shù)字IC設(shè)計(jì)工程師筆試面試題（一）

1、什么是同步邏輯和異步邏輯？

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。

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x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。

2、同步電路和異步電路的區(qū)別

同步電路：存儲電路中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端都接同一個(gè)時(shí)鐘脈沖源，因而所有觸發(fā)器的狀態(tài)的變化都與所加的時(shí)鐘脈沖信號同步。

異步電路：電路沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘，有些觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端與時(shí)鐘脈沖源相連，只有這些觸發(fā)器的狀態(tài)變化與時(shí)鐘脈沖同步，而其他的觸發(fā)器的狀態(tài)變化不與時(shí)鐘脈沖同步。

3、時(shí)序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)

時(shí)序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是滿足每一個(gè)觸發(fā)器的建立/保持時(shí)間的要求。

4、建立時(shí)間與保持時(shí)間的概念？

建立時(shí)間：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：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。

5、為什么觸發(fā)器要滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間？

因?yàn)橛|發(fā)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的形成是需要一定的時(shí)間的，如果不滿足建立和保持時(shí)間，觸發(fā)器將進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)后觸發(fā)器的輸出將不穩(wěn)定，在0和1之間變化，這時(shí)需要經(jīng)過一個(gè)恢復(fù)時(shí)間，其輸出才能穩(wěn)定，但穩(wěn)定后的值并不一定是你的輸入值。

這就是為什么要用兩級觸發(fā)器來同步異步輸入信號。這樣做可以防止由于異步輸入信號對于本級時(shí)鐘可能不滿足建立保持時(shí)間而使本級觸發(fā)器產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)傳播到后面邏輯中，導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的傳播。

（比較容易理解的方式）換個(gè)方式理解：需要建立時(shí)間是因?yàn)橛|發(fā)器的D端像一個(gè)鎖存器在接受數(shù)據(jù)，為了穩(wěn)定的設(shè)置前級門的狀態(tài)需要一段穩(wěn)定時(shí)間；需要保持時(shí)間是因?yàn)樵跁r(shí)鐘沿到來之后，觸發(fā)器要通過反饋來鎖存狀態(tài)，從后級門傳到前級門需要時(shí)間。

6、什么是亞穩(wěn)態(tài)？為什么兩級觸發(fā)器可以防止亞穩(wěn)態(tài)傳播？

這也是一個(gè)異步電路同步化的問題。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個(gè)規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)到達(dá)一個(gè)可以確認(rèn)的狀態(tài)。使用兩級觸發(fā)器來使異步電路同步化的電路其實(shí)叫做“一位同步器”，他只能用來對一位異步信號進(jìn)行同步。

兩級觸發(fā)器可防止亞穩(wěn)態(tài)傳播的原理：假設(shè)第一級觸發(fā)器的輸入不滿足其建立保持時(shí)間，它在第一個(gè)脈沖沿到來后輸出的數(shù)據(jù)就為亞穩(wěn)態(tài)，那么在下一個(gè)脈沖沿到來之前，其輸出的亞穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)在一段恢復(fù)時(shí) 間后必須穩(wěn)定下來，而且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)必須滿足第二級觸發(fā)器的建立時(shí)間，如果都滿足了，在下一個(gè)脈沖沿到來時(shí)，第二級觸發(fā)器將不會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，因?yàn)槠漭斎攵说?數(shù)據(jù)滿足其建立保持時(shí)間。同步器有效的條件：第一級觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)后的恢復(fù)時(shí)間 + 第二級觸發(fā)器的建立時(shí)間 < = 時(shí)鐘周期。

更確切地說，輸入脈沖寬度必須大于同步時(shí)鐘周期與第一級觸發(fā)器所需的保持時(shí)間之和。

最保險(xiǎn)的脈沖寬度是兩倍同步時(shí)鐘周期。所以，這樣的同步電路對于從較慢的時(shí)鐘域來的異步信號進(jìn)入較快的時(shí)鐘域比較有效，對于進(jìn)入一個(gè)較慢的時(shí)鐘域，則沒有作用。

7、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?？梢詫⑤^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。

8、時(shí)序約束的概念和基本策略？

時(shí)序約束主要包括周期約束，偏移約束，靜態(tài)時(shí)序路徑約束三種。通過附加時(shí)序約束可以綜合布線工具調(diào)整映射和布局布線，使設(shè)計(jì)達(dá)到時(shí)序要求。

附加時(shí)序約束的一般策略是先附加全局約束，然后對快速和慢速例外路徑附加專門約束。附加全局約束時(shí)，首先定義設(shè)計(jì)的所有時(shí)鐘，對各時(shí)鐘域內(nèi)的同步元件進(jìn)行分組，對分組附加周期約束，然后對FPGA/CPLD輸入輸出PAD附加偏移約束、對全組合邏輯的PAD TO PAD路徑附加約束。附加專門約束時(shí)，首先約束分組之間的路徑，然后約束快、慢速例外路徑和多周期路徑，以及其他特殊路徑。

9、附加約束的作用？

1、提高設(shè)計(jì)的工作頻率（減少了邏輯和布線延時(shí)）；

2、獲得正確的時(shí)序分析報(bào)告；（靜態(tài)時(shí)序分析工具以約束作為判斷時(shí)序是否滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此要求設(shè)計(jì)者正確輸入約束，以便靜態(tài)時(shí)序分析工具可以正確的輸出時(shí)序報(bào)告）

3、指定FPGA/CPLD的電氣標(biāo)準(zhǔn)和引腳位置。

10、FPGA設(shè)計(jì)工程師努力的方向

SOPC，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，象xilinx的v2pro中的高速鏈路也逐漸被應(yīng)用。

11、對于多位的異步信號如何進(jìn)行同步？

對以一位的異步信號可以使用“一位同步器進(jìn)行同步”（使用兩級觸發(fā)器），而對于多位的異步信號，可以采用如下方法：

1、可以采用保持寄存器加握手信號的方法（多數(shù)據(jù)，控制，地址）；

2、特殊的具體應(yīng)用電路結(jié)構(gòu),根據(jù)應(yīng)用的不同而不同；

3、異步FIFO。（最常用的緩存單元是DPRAM）

12：FPGA和CPLD的區(qū)別？
 

13：鎖存器（latch）和觸發(fā)器（flip-flop）區(qū)別？

電平敏感的存儲器件稱為鎖存器。可分為高電平鎖存器和低電平鎖存器，用于不同時(shí)鐘之間的信號同步。

有交叉耦合的門構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)的存儲原件稱為觸發(fā)器。分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)?？梢哉J(rèn)為是兩個(gè)不同電平敏感的鎖存器串連而成。前一個(gè)鎖存器決定了觸發(fā)器的建立時(shí)間，后一個(gè)鎖存器則決定了保持時(shí)間。

14、FPGA芯片內(nèi)有哪兩種存儲器資源？

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）。BLOCK RAM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)候消耗的BLOCK RAM資源是其塊大小的整數(shù)倍。

15、什么是時(shí)鐘抖動？

時(shí)鐘抖動是指芯片的某一個(gè)給定點(diǎn)上時(shí)鐘周期發(fā)生暫時(shí)性變化，也就是說時(shí)鐘周期在不同的周期上可能加長或縮短。它是一個(gè)平均值為0的平均變量。

16、FPGA設(shè)計(jì)中對時(shí)鐘的使用？（例如分頻等）

FPGA芯片有固定的時(shí)鐘路由，這些路由能有減少時(shí)鐘抖動和偏差。需要對時(shí)鐘進(jìn)行相位移動或變頻的時(shí)候，一般不允許對時(shí)鐘進(jìn)行邏輯操作，這樣不僅會增加時(shí)鐘的偏差和抖動，還會使時(shí)鐘帶上毛刺。

一般的處理方法是采用FPGA芯片自帶的時(shí)鐘管理器如PLL,DLL或DCM，或者把邏輯轉(zhuǎn)換到觸發(fā)器的D輸入（這些也是對時(shí)鐘邏輯操作的替代方案）。

17、FPGA設(shè)計(jì)中如何實(shí)現(xiàn)同步時(shí)序電路的延時(shí)？

首先說說異步電路的延時(shí)實(shí)現(xiàn)：異步電路一半是通過加buffer、兩級與非門等來實(shí)現(xiàn)延時(shí)（我還沒用過所以也不是很清楚），但這是不適合同步電路實(shí)現(xiàn)延時(shí)的。在同步電路中，對于比較大的和特殊要求的延時(shí)，一半通過高速時(shí)鐘產(chǎn)生計(jì)數(shù)器，通過計(jì)數(shù)器來控制延時(shí)；對于比較小的延時(shí)，可以通過觸發(fā)器打一拍，不過這樣只能延遲一個(gè)時(shí)鐘周期。

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）

19、Xilinx中與全局時(shí)鐘資源和DLL相關(guān)的硬件原語

常用的與全局時(shí)鐘資源相關(guān)的Xilinx器件原語包括：IBUFG,IBUFGDS,BUFG,BUFGP,BUFGCE,BUFGMUX,BUFGDLL,DCM等。關(guān)于各個(gè)器件原語的解釋可以參考《FPGA設(shè)計(jì)指導(dǎo)準(zhǔn)則》p50部分。

20、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