三方签毕,就前期准备过的和被问过的题目进行一个总结。
1. 什么是同步逻辑和异步逻辑?
同步时序逻辑电路的特点:各触发器的时钟端全部连接在一起,并接在系统时钟端,只有当时钟脉冲到来时,电路的状态才能改变。改变后的状态将一直保持到下一个时钟脉冲的到来,此时无论外部输入 x 有无变化,状态表中的每个状态都是稳定的。
异步时序逻辑电路的特点:电路中除可以使用带时钟的触发器外,还可以使用不带 时钟的触发器和延迟元件作为存储元件,电路中没有统一的时钟,电路状态的改变由外 部输入的变化直接引起。
可以说同步逻辑是时钟之间有固定的因果关系。异步逻辑是各时钟之间没有固定的因果关系。
2.同步电路和异步电路的区别
同步电路:存储电路中所有触发器的时钟输入端都接同一个时钟脉冲源,因而所有触发器的状态的变化都与所加的时钟脉冲信号同步。
异步电路:电路没有统一的时钟,有些触发器的时钟输入端与时钟脉冲源相连,这有这些触发器的状态变化与时钟脉冲同步,而其他的触发器的状态变化不与时钟脉冲同步。
3.跨时钟域信号的处理
4.时序设计的实质
时序设计的实质就是满足每一个触发器的建立/保持时间的而要求。
5.建立时间与保持时间的概念
建立时间:触发器在时钟上升沿到来之前,其数据输入端的数据必须保持不变的时间。如果建立的时间不满足要求那么数据将不能在这个时钟上升沿被稳定的打入触发器。
保持时间:触发器在时钟上升沿到来之后,其数据输入端的数据必须保持不变的时间。如果保持时间不满足要求那么数据同样也不能被稳定的打入触发器。
考虑后期为“建立时间和保持时间的理解”做一个总结。
6.为什么触发器要满足建立时间和保持时间?
因为触发器内部数据的形成是需要一定的时间的,如果不满足建立和保持时间,触发器将进入亚稳态,进入亚稳态后触发器的输出将不稳定,在 0 和 1 之间变化,这时需要经过一个恢复时间,其输出才能稳定,但稳定后的值并不一定是你的输入值。这就是为 什么要用两级触发器来同步异步输入信号。这样做可以防止由于异步输入信号对于本级 时钟可能不满足建立保持时间而使本级触发器产生的亚稳态传播到后面逻辑中,导致亚稳态的传播。
(需要建立时间是因为触发器的 D 段像一个锁存器在接受数据,为了稳定的设置前级门的状态需要一段稳定时间;需要保 持时间是因为在时钟沿到来之后,触发器要通过反馈来所存状态,从后级门传到前级门需要时间。)
7.什么是亚稳态?如何防止亚稳态?为什么两级触发器可以防止亚稳态传播?
8.系统最高速度计算(最快时钟频率)和流水线设计思想
同步电路的速度是指同步系统时钟的速度,同步时钟愈快,电路处理数据的时间间隔越短,电路在单位时间内处理的数据量就愈大。假设 Tco 是触发器的输入数据被时钟打入到触发器到数据到达触发器输出端的延时时间;Tdelay 是组合逻辑的延时;Tsetup 是 D触发器的建立时间。假设数据已被时钟打入 D 触发器,那么数据到达第一个触发器的Q输出端需要的延时时间是 Tco,经过组合逻辑的延时时间为Tdelay,然后到达第二个触发器的D端,要希望时钟能在第二个触发器再次被稳定地打入触发器,则时钟的延 迟必须大于 Tco+Tdelay+Tsetup,也就是说最小的时钟周期 Tmin =Tco+Tdelay+ Tsetup,即最快的时钟频率 Fmax=1/Tmin。FPGA 开发软件也是通过这种方法来计算系 统最高运行速度 Fmax。因为 Tco 和Tsetup 是由具体的器件工艺决定的,故设计电路 时只能改变组合逻辑的延迟时间 Tdelay,所以说缩短触发器间组合逻辑的延时时间是 提高同步电路速度的关键所在。由于一般同步电路都大于一级锁存,而要使电路稳定工作,时钟周期必须满足最大延时要求。故只有缩短最长延时路径,才能提高电路的工作 频率。可以将较大的组合逻辑分解为较小的 N 块,通过适当的方法平均分配组合逻辑,然后在中间插入触发器,并和原触发器使用相同的时钟,就可以避免在两个触发器之间出现过大的延时,消除速度瓶颈,这样可以提高电路的工作频率。
这就是所谓"流水线"技术的基本设计思想,即原设计速度受限部分用一个时钟周期实现,采用流水线技术插入触发器后,可用 N 个时钟周期实现,因此系统的工作速度可以加快,吞吐量加大。注意,流水线设计会在原数据通路上加入延时,另外硬件面积也会稍有增加。
9.时序约束的概念和基本策略
时序约束主要包括周期约束,偏移约束,静态时序路径约束三种。通过附加时序约束可以综合布线工具调整映射和布局布线,是设计达到时序要求。
附加时序约束的一般策略是先附加全局约束,然后对快速和慢速例外路径附加专门约束。附加全局约束时,首先定义设计的所有时钟,对各时钟域内的同步元件进行分组,对分组附加周期约束,然后对 FPGA/CPLD 输入输出 PAD附加偏移约束、对全组合逻辑的PAD TOPAD 路径附加约束。附加专门约束时,首先约束分组之间的路径,然后约束快、慢速例外路径和多周期路径,以及其他特殊路径。
扩展问题:
10.附加约束的作用
1:提高设计的工作频率(减少了逻辑和布线延时);
2:获得正确的时序分析报告;(静态时序分析工具以约束作为判断时序是否满足设计要求的标准,因此要求设计者正确输入约束,以便静态时序分析工具可以正确的输出时序报告)
3:指定 FPGA/CPLD 的电气标准和引脚位置。
11.FPGA和MCU的本质区别,MCU和ASIC的关系
本质区别是FPGA是半定制电路,MCU是定制电路。也可以说:单片机是成型的芯片;FPGA是用来设计芯片的芯片。
在网上找到的答案是:单片机设计属软件范畴;它的硬件(单片机芯片)是固定的,通过软件编程语言描述软件指令在硬件芯片上的执行;而FPGA设计属硬件范畴,它的硬件(FPGA)是可编程的,是一个通过硬件描述语言在FPGA芯片上自定义集成电路的过程。
简单来说也还是定制和半定制的区别。从这一角度来讲,MCU属于一种ASIC。采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。参考链接
扩展:微控制单元(Microcontroller Unit;MCU) ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机,是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。
ASIC芯片是用于供专门应用的集成电路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)芯片技术,在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。
12.锁存器(latch)和触发器(flip-flop)区别
电平敏感的存储器件称为锁存器。可分为高电平锁存器和低电平锁存器,用于不同时钟之间的信号同步。
有交叉耦合的门构成的双稳态的存储原件称为触发器。分为上升沿触发和下降沿触发。可以认为是两个不同电平敏感的锁存器串连而成。前一个锁存器决定了触发器的建立时间,后一个锁存器则决定了保持时间。
13. 时钟抖动和时钟偏移的概念及产生原因,如何避免?
时钟抖动jitter:指芯片的某一个给定点上时钟周期发生暂时性变化,也就是说时钟周期在不同的周期上可能加长或缩短。它是一个平均值为0的平均变量。
时钟偏移Skew:指全局时钟产生的各个子时钟信号到达不同触发器的时间点不同,是时钟相位的不一致。时钟偏移有两种类型:负偏斜和正偏斜。当时钟到达接收寄存器比到达发送寄存器晚时,会发生正偏移;负偏斜是相反的,即接收寄存器比发送寄存器更早地获得时钟触发
jitter主要受外界干扰引起,通过各种抗干扰手段可以避免。而skew由数字电路内部各路径布局布线长度和负载不同导致,利用全局时钟网络可尽量将其消除。
14.FPGA设计中对时钟的使用?(例如分频等)
FPGA芯片有固定的时钟路由,这些路由能有减少时钟抖动和偏差。需要对时钟进行相位移动或变频的时候,一般不允许对时钟进行逻辑操作,这样不仅会增加时钟的偏差和抖动,还会使时钟带上毛刺。一般的处理方法是采用FPGA芯片自带的时钟管理器如PLL,DLL或DCM,或者把逻辑转换到触发器的D输入(这些也是对时钟逻辑操作的替代方案)。
15.FPGA设计中如何实现同步时序电路的延时?
首先说说异步电路的延时实现:异步电路一半是通过加buffer、两级与非门等来实现延时(我还没用过所以也不是很清楚),但这是不适合同步电路实现延时的。在同步电路中,对于比较大的和特殊要求的延时,一半通过高速时钟产生计数器,通过计数器来控制延时;对于比较小的延时,可以通过触发器打一拍,不过这样只能延迟一个时钟周期。
16.FPGA的基本结构、内部资源
之前总结过一篇,参考:https://blog.csdn.net/CSDNde_/article/details/102477456
,直接进入:网址
此问题的相关扩展:
17.什么是"线与"逻辑,要实现它,在硬件特性上有什么具体要求?
线与逻辑是两个输出信号相连可以实现与的功能。在硬件上,要用oc门来实现,由于不用oc门可能使灌电流过大,而烧坏逻辑门。同时在输出端口应加一个上拉电阻。oc门就是集电极开路门,od门市漏极开路门。
18.MOORE 与 MEELEY状态机的特征?
Moore 状态机的输出仅与当前状态值有关, 且只在时钟边沿到来时才会有状态变化。
Mealy 状态机的输出不仅与当前状态值有关, 而且与当前输入值有关。
19.Verilog代码覆盖率检查有哪几类?
包括语句覆盖率、路径覆盖率、状态机覆盖率、触发覆盖率、表达式覆盖率。对于复杂的设计来说,Verilog代码覆盖率检查是检查验证工作是否完全的重要方法,代码覆盖率(codecoverge)可以指示Verilog代码描述的功能有多少在仿真过程中被验证过了,代码覆盖率分析包括以下分析内容:
20.FPGA的面积优化和速度优化有哪几类
面积优化:资源共享,逻辑复制,串行化
速度优化:流水线,关键路径法,寄存器配平
21.时序检查中对异步复位电路的时序分析叫做?
恢复时间检查和移出时间检查。
22.FPGA中属于高速串行接口的是
PCIe、USB、SPI、Rapid IO
23.Verilog HDL中的可综合、不可综合
24.对于同步fifo,每100个cycle可以写入80个数据,每10个cycle可以读出8个数据,fifo的深度至少为?
设写时钟频率 w_clk,读时钟频率 r_clk。写时钟周期里,每B个时钟周期会有A个数据写入FIFO;读时钟周期里,每Y个时钟周期会有X个数据读出FIFO。则,FIFO的最小深度是?
计算公式:fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
例举说明:如果100个写时钟周期可以写入80个数据,10个读时钟可以读出8个数据。令wclk=rclk ,考虑背靠背(20个clk不发数据+80clk发数据+80clk发数据+20个clk不发数据的200个clk)代入公式可计算FIFO的深度fifo_depth = 160-160X(80%)=160-128= 32
拓展:如果令wclk=200mhz,改为100个wclk里写入40个,rclk=100mhz,10个rclk里读出8个。那么fifo深度为48
计算如下fifo_depth =80-80X(80%)X(100/200)=80-32=48
25.如果只使用2选1mux完成异或逻辑,至少需要几个mux?
这个题引申出数电的基本逻辑运算:
以上一系列图链接。
2选1mux:
mux(多路复用器)是一种组合电路,它从许多输入信号中选择一个作为输出。输入sel为0时输出为a;sel为1时输出为b。
26.什么是竞争与冒险现象?怎样判断?如何消除?
竞争:在组合逻辑电路中,信号经过多条路径到达输出端,每条路径经过的逻辑门不同存在时差,在信号变化的瞬间存在先后顺序。这种现象叫竞争。
冒险:由于竞争而引起电路输出信号中出现了非预期信号,产生瞬间错误的现象称为冒险。表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲,即毛刺。
27. JTAG接口信号及功能
JTAG实际上使用的只有四个信号:时钟TCK、状态机控制信号TMS、数据输入信号TDI、数据输出信号TDO。
28.用D触发器实现2倍分频的逻辑电路
module divide2( clk , clk_o, reset);
input clk , reset;
output clk_o;
wire in;
reg out ;
always @ ( posedge clk or posedge reset)
if ( reset)
out <= ;
else
out <= in;
assign in = ~out;
assign clk_o = out;
endmodule
现实工程设计中一般不采用这样的方式来设计,二分频一般通过DCM来实现。通过DCM得到的分频信号没有相位差。或者是从Q端引出加一个反相器:
29.FPGA详细设计流程
以xilinx vivado工具为例,主要有以下步骤:系统规划、RTL输入、行为仿真、逻辑综合、综合后仿真(可选)、综合后设计分析(时序及资源)、设计实现(包括布局布线及优化)、实现后设计分析(时序及资源)、板级调试、bitstream固化。
30.FPGA 设计工程师努力的方向
SOPC,高速串行 I/O,低功耗,可靠性,可测试性和设计验证流程的优化等方面。
随着芯片工艺的提高,芯片容量、集成度都在增加,FPGA 设计也朝着高速、高度集成、低功耗、高可靠性、高可测、可验证性发展。芯片可测、可验证,正在成为复杂设计所必备的条件,尽量在上板之前查出 bug,将发现 bug 的时间提前,这也是一些公司花大力气设计仿真平台的原因。另外随着单板功能的提高、成本的压力,低功耗也逐渐进入 FPGA 设计者的考虑范围,完成相同的功能下,考虑如何能够使芯片的功耗最低, 据说altera、xilinx都在根据自己的芯片特点整理如何降低功耗的文档。高速串行IO的应用,也丰富了 FPGA 的应用范围,像xilinx 的v2pro中的高速链路也逐渐被应用。
实践是检验真理的唯一标准。