关于FPGA基础知识的一些科普问答

1：什么是同步逻辑和异步逻辑？

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。

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。

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：时序设计的实质：

电路设计的难点在时序设计，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。

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。

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。

不考虑时钟的skew，D2的建立时间不能大于（时钟周期T - D1数据最迟到达时间T1max+T2max）；保持时间不能大于（D1数据最快到达时间T1min+T2min）；否则D2的数据将进入亚稳态并向后级电路传播。

4：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。

（比较容易理解的方式）换个方式理解：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。

5：什么是亚稳态？为什么两级触发器可以防止亚稳态传播？

这也是一个异步电路同步化的问题。亚稳态是指触发器无法在某个规定的时间段内到达一个可以确认的状态。使用两级触发器来使异步电路同步化的电路其实叫做“一步同位器”，他只能用来对一位异步信号进行同步。两级触发器可防止亚稳态传播的原理：假设第一级触发器的输入不满足其建立保持时间，它在第一个脉冲沿到来后输出的数据就为亚稳态，那么在下一个脉冲沿到来之前，其输出的亚稳态数据在一段恢复时间后必须稳定下来，而且稳定的数据必须满足第二级触发器的建立时间，如果都满足了，在下一个脉冲沿到来时，第二级触发器将不会出现亚稳态，因为其输入端的数据满足其建立保持时间。同步器有效的条件：第一级触发器进入亚稳态后的恢复时间 + 第二级触发器的建立时间 《 = 时钟周期。

其他降低亚稳态的方式：

1 降低系统时钟频率

2 用反应更快的FF

3 引入同步机制，防止亚稳态传播（可以采用前面说的加两级触发器）。

4 改善时钟质量，用边沿变化快速的时钟信号

6：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。

例子：给了reg的setup，hold时间，求中间组合逻辑的delay范围 ：Delay 《 period - setup – hold

7：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，使设计达到时序要求。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 TO PAD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。

8：附加约束的作用？

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。

9：FPGA 设计工程师努力的方向：

10：对于多位的异步信号如何进行同步？

对以一位的异步信号可以使用“一位同步器进行同步”，而对于多位的异步信号，可以采用如下方法：

1：可以采用保持寄存器加握手信号的方法（多数据，控制，地址）;

2：特 殊的具体应用电路结构，根据应用的不同而不同 ;

3：异步FIFO。（最常用的缓存单元是 DPRAM）

11：FPGA和CPLD的区别？

FPGA是可编程ASIC。

ASIC：专用集成电路，它是面向专门用途的电路，专门为一个用户设计和制造的。根据一个用户的特定要求，能以低研制成本，短、交货周期供货的全定制，半定制集成电路。与门阵列等其它ASIC（ApplicaTIon Specific IC）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。

CPLD FPGA

内部结构 Product－term Look－up Table

程序存储 内部EEPROM SRAM，外挂EEPROM

资源类型 组合电路资源丰富 触发器资源丰富

集成度 低 高

使用场合 完成控制逻辑 能完成比较复杂的算法

速度 慢 快

其他资源 － PLL、RAM和乘法器等

保密性 可加密 一般不能保密

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:FPGA 芯片内有哪两种存储器资源？

FPGA 芯片内有两种存储器资源：一种叫 block ram，另一种是由 LUT 配置成的内部存储器（也就是分布式 ram）。 Block ram 由一定数量固定大小的存储块构成的，使用 BLOCK RAM 资源不占用额外的逻辑资源，并且速度快。但是使用的时候消耗的 BLOCK RAM 资源是其块大小的整数倍。

14：什么是时钟抖动？

时钟抖动是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。

15: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 *** 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 *** 作的替代方案）。

16: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（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。

17:FPGA 中可以综合实现为 RAM/ROM/CAM 的三种资源及其注意事项？

三种资源：block ram;触发器（FF），查找表（LUT）; 注意事项：

1：在生成 RAM 等存储单元时，应该首选 block ram资源;其原因有二：第 一：使用 block ram 等资源，可以节约更多的 FF 和 4-LUT 等底层可编程单元。使用 block ram 可以说是“不用白不用”，是最大程度发挥器件效能，节约成本的一种体现; 第二：block ram 是一种可以配置的硬件结构，其可靠性和速度与用LUT 和 register 构建的存储器更有优势。

2：弄清 FPGA 的硬件结构，合理使用 block ram 资源;

3：分析block ram 容量，高效使用 block ram 资源;

4：分布式 ram 资源（distribute ram）

18：什么是”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。

19：什么是竞争与冒险现象？怎样判断？如何消除？

在组合电路中，某一输入变量经过不同途径传输后，到达电路中某一汇合点的时间有先有后，这种现象称竞争;由于竞争而使电路输出发生瞬时错误的现象叫做冒险。 （也就是由于竞争产生的毛刺叫做冒险）。判断方法：代数法（如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象）;卡诺图：有两个相切的卡诺圈并且相切处没有被其他卡诺圈包围，就有 可能出现竞争冒险;实验法：示波器观测;

解决方法：

1：加滤波电路，消除毛刺的影响;

2：加选通信号，避开毛刺;

3：增加冗余项消除逻辑冒险。

20：Xilinx中与全局时钟资源和DLL相关的硬件原语：

常用的与全局时钟资源相关的Xilinx器件原语包括：IBUFG， IBUFGDS，BUFG，BUFGP， BUFGCE， BUFGMUX，BUFGDLL，DCM等。

HDL语言是分层次的、类型的，最常用的层次概念有系统与标准级、功能模块级，行为级，寄存器传输级和门级。

21：查找表的原理与结构？

查找表（look-up-table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有 4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可

22：ic设计前端到后端的流程和eda工具？

设计前端也称逻辑设计，后端设计也称物理设计，两者并没有严格的界限，一般涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。

1：规格制定：客户向芯片设计公司提出设计要求。

2：详细设计：芯片设计公司（Fabless）根据客户提出的规格要求，拿出设计解决方案和具体实现架构，划分模块功能。目前架构的验证一般基于

systemC语言，对价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编码：设计输入工具：ultra ，visual VHDL等

4：仿真验证：modelsim

5：逻辑综合：synplify

6：静态时序分析：synopsys的Prime TIme

7：形式验证：Synopsys的Formality.

23：你知道那些常用逻辑电平？TTL与COMS电平可以直接互连吗？

常用逻辑电平：TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL（Emitter Coupled Logic）、PECL（Pseudo/PosiTIve Emitter Coupled Logic）、LVDS（Low Voltage DifferenTIal Signaling）、GTL（Gunning Transceiver Logic）、BTL（Backplane Transceiver Logic）、ETL（enhanced transceiver logic）、GTLP（Gunning Transceiver Logic Plus）；RS232、RS422、RS485（12V，5V，3.3V）；也有一种答案是：常用逻辑电平：12V，5V，3.3V。

TTL和CMOS不可以直接互连，由于TTL是在0.3-3.6V之间，而CMOS则是有在12V的有在5V的。CMOS输出接到TTL是可以直接互连。TTL接到 CMOS需要在输出端口加一上拉电阻接到5V或者12V。cmos的高低电平分别为：Vih》=0.7VDD，Vil《=0.3VDD;Voh》=0.9VDD，Vol《=0.1VDD.

ttl的为：Vih》=2.0v，Vil《=0.8v;Voh》=2.4v，Vol《=0.4v.

用cmos可直接驱动ttl;加上拉电阻后，ttl可驱动cmos.

1、当TTL电路驱动COMS电路时，如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平（一般为3.5V），这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。

2、OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。

3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

4、在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。

5、芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

6、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。 上拉电阻阻值的选择原则包括：

1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。

2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。

3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。综合考虑以上三点，通常在1k到10k之间选取。对下拉电阻也有类似道理。

OC门电路必须加上拉电阻，以提高输出的高电平值。 OC门电路要输出“1”时才需要加上拉电阻不加根本就没有高电平。在有时我们用OC门作驱动（例如控制一个 LED）灌电流工作时就可以不加上拉电阻 。OC门可以实现“线与”运算。 OC门就是集电极开路输出。 总之加上拉电阻能够提高驱动能力。

24：IC设计中同步复位与异步复位的区别？

同步复位在时钟沿采复位信号，完成复位动作。异步复位不管时钟，只要复位信号满足条件，就完成复位动作。异步复位对复位信号要求比较高，不能有毛刺，如果其与时钟关系不确定，也可能出现亚稳态。

25：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。

26：多时域设计中，如何处理信号跨时域？

不同的时钟域之间信号通信时需要进行同步处理，这样可以防止新时钟域中第一级触发器的亚稳态信号对下级逻辑造成影响。信号跨时钟域同步：当单个信号跨时钟域时，可以采用两级触发器来同步；数据或地址总线跨时钟域时可以采用异步fifo来实现时钟同步；第三种方法就是采用握手信号。

27：说说静态、动态时序模拟的优缺点？

静态时序分析是采用穷尽分析方法来提取出整个电路存在的所有时序路径，计算信号在这些路径上的传播延时，检查信号的建立和保持时间是否满足时序要求，通过对最大路径延时和最小路径延时的分析，找出违背时序约束的错误。它不需要输入向量就能穷尽所有的路径，且运行速度很快、占用内存较少，不仅可以对芯片设计进行全面的时序功能检查，而且还可利用时序分析的结果来优化设计，因此静态时序分析已经越来越多地被用到数字集成电路设计的验证中。

动态时序模拟就是通常的仿真，因为不可能产生完备的测试向量，覆盖门级网表中的每一条路径。因此在动态时序分析中，无法暴露一些路径上可能存在的时序问题；

28：为什么一个标准的倒相器中P管的宽长比要比N管的宽长比大？

和载流子有关，P管是空穴导电，N管是电子导电，电子的迁移率大于空穴，同样的电场下，N管的电流大于P管，因此要增大P管的宽长比，使之对称，这样才能使得两者上升时间下降时间相等、高低电平的噪声容限一样、充电放电的时间相等。

29：latch与register的区别，为什么现在多用register.行为级描述中latch如何产生的？

latch是电平触发，register是边沿触发，register在同一时钟边沿触发下动作，符合同步电路的设计思想，而latch则属于异步电路设计，往往会导致时序分析困难，不适当的应用latch则会大量浪费芯片资源。

30：状态图是以几何图形的方式来描述时序逻辑电路的状态转移规律以及输出与输入的关系。

31：sram，falsh memory，及dram的区别？

sram：静态随机存储器，存取速度快，但容量小，掉电后数据会丢失，不像DRAM需要不停的REFRESH，制造成本较高，通常用来作为快取（CACHE） 记忆体使用

flash：闪存，存取速度慢，容量大，掉电后数据不会丢失

dram：动态随机存储器，必须不断的重新的加强（REFRESHED）电位差量，否则电位差将降低至无法有足够的能量表现每一个记忆单位处于何种状态。价格比sram**便宜，但访问速度较慢，耗电量较大，常用作计算机的内存**使用。

32：有四种复用方式，频分多路复用，写出另外三种？

四种复用方式：频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA），码分多路复用（CDMA），波分多路复用（WDMA）

33：基尔霍夫定理的内容

基尔霍夫定律包括电流定律和电压定律：

电流定律：在集总电路中，任何时刻，对任一节点，所有流出节点的支路电流的代数和恒等于零。

电压定律：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。

34：描述反馈电路的概念，列举他们的应用。

反馈，就是在电路系统中，把输出回路中的电量输入到输入回路中去。

反馈的类型有：电压串联负反馈、电流串联负反馈、电压并联负反馈、电流并联负反馈。

负反馈的优点：降低放大器的增益灵敏度，改变输入电阻和输出电阻，改善放大器的线性和非线性失真，有效地扩展放大器的通频带，自动调节作用。

电压负反馈的特点：电路的输出电压趋向于维持恒定。 电流负反馈的特点：电路的输出电流趋向于维持恒定。

35：有源滤波器和无源滤波器的区别

无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成

有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。

集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。

36：什么叫做OTP片、掩膜片，两者的区别何在？

OTP means one time program，一次性编程 MTP means multi time program，多次性编程

OTP（One Time Program）是MCU的一种存储器类型

MCU按其存储器类型可分为MASK（掩模）ROM、OTP（一次性可编程）ROM、FLASHROM等类型。

MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合；

FALSHROM的MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价格不敏感的应用场合或做开发用途；

OTP ROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有一次性可编程能力，适合既要求一定灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

37、单片机上电后没有运转，首先要检查什么？

首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否是电源电压，例如常用的5V。

接下来就是检查复位引脚电压是否正常。分别测量按下复位按钮和放开复位按钮的电压值，看是否正确。

然后再检查晶振是否起振了，一般用示波器来看晶振引脚的波形，注意应该使用示波器探头的“X10”档。另一个办法是测量复位状态下的IO口电平，按住复位键不放，然后测量IO口（没接外部上拉的P0口除外）的电压，看是否是高电平，如果不是高电平，则多半是因为晶振没有起振。 另外还要注意的地方是，如果使用片内ROM的话（大部分情况下如此，现在已经很少有用外部扩ROM的了），一定要将EA引脚拉高，否则会出现程序乱跑的情况。有时用仿真器可以，而烧入片子不行，往往是因为EA引脚没拉高的缘故（当然，晶振没起振也是原因只一）。

经过上面几点的检查，一般即可排除故障了。如果系统不稳定的话，有时是因为电源滤波不好导致的。在单片机的电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1uF的电容会有所改善。如果电源没有滤波电容的话，则需要再接一个更大滤波电容，例如220uF的。遇到系统不稳定时，就可以并上电容试试（越靠近芯片越好）。

38： 时钟周期为 T，触发器 D1 的建立时间最大为 T1max，最小为 T1min。组合逻辑电路最大延迟为 T2max，最小为 T2min。问：触发器 D2 的建立时间 T3 和保持时间 T4 应满足什么条件？

建立时间容限：相当于保护时间，这里要求建立时间容限大于等于 0。

保持时间容限：保持时间容限也要求大于等于 0。

由上图可知，建立时间容限=Tclk-Tffpd（max）-Tcomb（max）-Tsetup，根据建立时间容限 ≥ 0 ， 也 就 是

Tclk-Tffpd（max）-Tcomb（max）-Tsetup ≥ 0 ， 可 以 得 到 触 发 器 D2 的 Tsetup ≤

Tclk-Tffpd（max）-Tcomb（max），由于题目没有考虑 Tffpd，所以我们认为 Tffpd=0，于是得到

Tsetup≤T-T2max。

由上图可知，保持时间容限+Thold=Tffpd（min）+Tcomb（min），所以保持时间容限=

Tffpd（min）+Tcomb（min）-Thold，根据保持时间容限≥0，也就是 Tffpd（min）+Tcomb（min）-Thold≥0，得到触发器 D2 的 Thold≤Tffpd（min）+Tcomb（min），由于题目没有考虑 Tffpd，所以我们 认为Tffpd=0，于是得到 Thold≤T2min。关于保持时间的理解就是，在触发器 D2 的输入信 号还处在保持时间的时候，如果触发器 D1的输出已经通过组合逻辑到达 D2 的输入端的话， 将会破坏 D2 本来应该保持的数据。