FPGA工程师面试试题100

1 什么是Setup 和Holdup时间？

2 什么是竞争与冒险现象？怎样判断？如何消除？

3  用D触发器实现2倍分频的逻辑电路？.......

4  什么是"线与"逻辑，要实现它，在硬件特性上有什么具体要求？

5  什么是同步逻辑和异步逻辑？

6  请画出微机接口电路中，典型的输入设备与微机接口逻辑示意图（数据接口、控制接口、所存器/缓冲器）。

7  你知道那些常用逻辑电平？TTL与COMS电平可以直接互连吗？

8 可编程逻辑器件在现代电子设计中越来越重要，请问：你所知道的可编程逻辑器件有哪些？

9  试用VHDL或VERILOG、ABLE描述8位D触发器逻辑。

10  设想你将设计完成一个电子电路方案。请简述用EDA软件（如PROTEL）进行设计（包
括原理图和PCB图）到调试出样机的整个过程。在各环节应注意哪些问题？

11 用逻辑门和cmos电路实现ab+cd

12 用一个二选一mux和一个inv实现异或

13 给了reg的setup,hold时间，求中间组合逻辑的delay范围。

14 如何解决亚稳态

15 用verilog/vhdl写一个fifo控制器

16 用verilog/vddl检测stream中的特定字符串

17 用mos管搭出一个二输入与非门。

18 集成电路前段设计流程，写出相关的工具。

19 名词IRQ,BIOS,USB,VHDL,SDR

20  unix 命令cp -r, rm,uname

21 用波形表示D触发器的功能

22 写异步D触发器的verilog module

23  What is PC Chipset?

24 用传输门和反向器搭一个边沿触发器

25 画状态机，接受1，2，5分钱的卖报机，每份报纸5分钱

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答案

1 什么是Setup 和Holdup时间？
建立时间(Setup Time)和保持时间（Hold time）。建立时间是指在时钟边沿前，数据信号需要保持不变的时间。保持时间是指时钟跳变边沿后数据信号需要保持不变的时间。见图1。
如果不满足建立和保持时间的话，那么DFF将不能正确地采样到数据，将会出现metastability的情况。
如果数据信号在时钟沿触发前后持续的时间均超过建立和保持时间，那么超过量就分别被称为建立时间裕量和保持时间裕量。

图1 建立时间和保持时间示意图

2什么是竞争与冒险现象？怎样判断？如何消除？
在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争。
产生毛刺叫冒险。
如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象。
解决方法：一是添加布尔式的消去项，二是在芯片外部加电容。
3  用D触发器实现2倍分频的逻辑电路？
Verilog描述：
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 <= 0;
         else
           out <= in;
       assign in = ~out;
       assign clk_o = out;
     endmodule

图形描述：

4  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。
5  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。
6  请画出微机接口电路中，典型的输入设备与微机接口逻辑示意图（数据接口、控制接口、所存器/缓冲器）。
7  你知道那些常用逻辑电平？TTL与COMS电平可以直接互连吗？
  12，5，3.3
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。
8 可编程逻辑器件在现代电子设计中越来越重要，请问：你所知道的可编程逻辑器件有哪些？
PAL，PLD，CPLD，FPGA。
9  试用VHDL或VERILOG、ABLE描述8位D触发器逻辑。
module dff8(clk , reset, d, q);
input        clk;
input        reset;
input  [7:0] d;
output [7:0] q;
reg   [7:0] q;
always @ (posedge clk or posedge reset)
   if(reset)
     q <= 0;
   else
     q <= d;
endmodule
10  设想你将设计完成一个电子电路方案。请简述用EDA软件（如PROTEL）进行设计（包
括原理图和PCB图）到调试出样机的整个过程。在各环节应注意哪些问题？
  电源的稳定上，电容的选取上，以及布局的大小。
11 用逻辑门和cmos电路实现ab+cd

12 用一个二选一mux和一个inv实现异或
13 给了reg的setup,hold时间，求中间组合逻辑的delay范围。
Delay < period - setup - hold
14 如何解决亚稳态
亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去。

这段时间去面试了几家公司，发现比较大的公司相对于重视基础问题。这里边又有几个问题特别的突出。他们是：同步时钟设计、亚稳态、异步FIFO。可以说，这些个问题要是弄清楚了，就至少满足了技术方面1/3的要求，另外的2/3是什么，我就说不清楚了。又有人发了竞争冒险毛刺的问题，不过，对于采用同步设计方法的系统，这些问题一般不会遇到。下面就谈谈我对这些问题的看法，要是你觉得看这些东西觉得类似一堆狗屎，那么恭喜你，你面试成功的机会增加了1/3；要是你你觉得阿，什么样的牛人拉了一堆牛屎，那么不好意思，还是再去补补课把。这里推荐一本《数字设计——原理和实践》(John F.Wakerly)的书，仔细看一遍吧。

同步时钟设计 简单说就是一个系统中（或系统中的一部分）都采用同一个时钟触发。系统中的(D)触发器全部都连接到一个时钟，而且只控制触发器的同步端（输入，同步置位，同步复位）。这样的系统是相对于异步系统而言的，异步系统并不是不同的触发器时钟端连接到不同的时钟信号的系统（一般的这样叫做跨时钟系统，是相对几个较小的同步系统的组合），而是更本没有了时钟的概念，依靠和触发器构造一样的反馈电路组成。相对于异步系统，同步系统更好设计（异步设计则象一个魔术,类似于汇编和高级语言的关系），更容易进行时序分析(为什么要用D触发器而不用D锁存器)——在这里组合逻辑的竞争冒险毛刺问题都不存在了。应该说，同步系统最大的问题在于时钟的偏斜(skew)。同步时钟系统也存在一些涉及的技巧，这些技巧一般围绕着降低关键路径的延时和时间和空间的平衡。这些都是平衡的艺术（了解了基本的部件之后，剩下的工作就是一个字"平衡"),这里边的方法就太具体，而且本人也知道得不多，不敢乱说了。不过，只要你用过一种方法，就可以体会到其中的精神了。

亚稳态 这是跨时钟设计中最基础的一个问题(宏观的问题是FIFO)，按照我的观察，上论坛问问题多的一般不明白这个，请一定要注意了。 什么是亚稳态？数字电路中的简单双稳态电路就是两个反相器首尾相连组成（加一些控制逻辑变成了锁存器，触发器），然而并不像名字显示的，这种电路其实还有第三种半稳定态——就是当两个反相器都处于中间值得情况——这称之为亚稳态。我们知道反相器在非逻辑值范围的反馈系数是相当大的，一旦因为干扰或者噪音离开了这个中心点，就会很快地进入逻辑值范围（稳态）。数学分析，从亚稳态进入稳态，正如放射元素的衰变，是一个指数的规律（为什么是指数的规律？你要是想不明白，说明你还没有搞明白亚稳态）。那么，亚稳态的危害到底是什么呢？消耗功率；），其实不是（虽然亚稳态消耗很大的功率），亚稳态的问题在于其电平并不处于有效逻辑电平范围内，而且在变化。这就导致与其相连其他数字部件将其作出不同的判断（注意，不同），有的作为'1',有的作为'0'，有的也进入了亚稳态，数字部件就会逻辑混乱。那么究竟如何避免（或者减小)亚稳态的危险呢？注意到亚稳态的触发器继续停留在亚稳态的几率按照指数减少，那么办法就是等——等足够长的时间，直到这个几率变得小的实际上不会发生。到底需要有多长呢？有的厂商有一个数据，有的没有，按照普通的做法，至少等一个时钟周期——这也就是所谓的异步数据要用两个触发器打一下。这一段有点糊涂，不容易说明白，你看了要是觉得云里雾里，不知所云，那们你只有找一本书学习了；要是觉得作者表达不清，那么恭喜你，面试通过了的几率增加了。关于这个问题有很多糊涂的认识，要是你的主考官和你争论，你就顺着他的意思，毕竟没有人想找一个管教不了的手下。

异步FIFO 异步FIFO是跨时钟域设计方法的集中体现，体现了很多的方法。不过，其中最重要的有两点，一个就是亚稳态，一个就是和亚稳态类似但不相同的——多个控制/状态信号的跨时钟传递。具体地说，就是当你把一组信号传递到另外一个时钟域的话，这一组信号可能因为延迟不同，这样到达新时钟域之后，得到的数据相差一个老时钟域的时钟周期。兴好，对于FIFO，需要传递的是一个计数器，这个计数器可以编码成格雷码（graycode），这样的编码每次只变化一个位，正好解决了上面的问题(要是没有画过图，最好画一个图看一下）。真不清楚这是怎么发明的！注意，这里其实还对格雷码的相对延迟和相关的时钟周期有一个要求。这就是异步FIFO中最关键的一点，至于指针如何控制，稍微考虑一下都很容易清楚。需要注意的事，这些东西不是用嘴能说清楚的，最好画一个示意图，不要因为没有说清楚，让主考官觉得你没有清楚。

当然，除此之外还有很多很多的东西。比如组合逻辑的设计技巧，俺就没有研究。比如高速布线信号完整性问题，俺也不敢多说。至于整个系统的设计思想，更不敢妄语。不过如果只要你有一个问题了解到了相当的深度，相信你很容易搞清楚其他问题

FPGA与CPLD内部结构区别？       CPLD
      以altraMAX7000这种PLD为例，可分为三块结构：宏单元（Marocell)，可编程连线（PIA)和I/O控制块。宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。
      这种基于乘积项（实际就是与或阵列）的PLD基本都是由EEPROM和Flash工艺制造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。布线方式是全局的，所以延时可预测。CPLD适合做逻辑设计。
      FPGA
      FPGA基于LUT，LUT本质上就是一个RAM，每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。这也是为什么FPGA需要外接一个rom来上电配置。
      以xilinx的Spartan-II为例，主要包括CLBs，I/O块，RAM块和可编程连线。在spartan-II中，一个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT，两个触发器和相关逻辑。 Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构。
       FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PLD。 所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用FPGA就是一个很好选择。
2.Latch和Register区别？行为描述中Latch如何产生？
    本质的区别在于：latch是电平触发，reg是边沿触发。时序设计中尽量使用reg触发。
行为描述中，如果对应所有可能输入条件，有的输入没有对应明确的输出，系统会综合出latch。
比如：always@( a orb)  //缺少else语句
        begin
           if(a==1)
             q <=b;
         end

3.对竞争冒险的理解，以及如何消除？
     在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争。产生毛刺叫冒险。如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象。解决方法：一是添加布尔式的消去项，二是在芯片外部加电容。
4.用Verilog设计一个5分频器。
       5分频，奇数分频都可以类似这么做,只需要改div1和div2的参数。div1为奇数分频除2的余数。采用上升延和下降延分别触发不同波形，最后叠加的方式产生奇数分频。
module divfreq(clk, clk1x, rst, clk1xpose, clk1xnege, coutpose, coutnege);
input clk;
input rst;
output clk1x;
output clk1xpose;
output clk1xnege;
output[2:0] coutpose;
output[2:0] coutnege;
reg clk1xpose;
reg clk1xnege;
reg[2:0] coutpose;
reg[2:0] coutnege;
parameter div1 = 2 , div2 = 4;  // div1 ＝ 5 / 2, div2 = 5 - 1
assign clk1x = clk1xpose | clk1xnege;
always@(posedge clk or negedge rst)
begin
  if(!rst)

    clk1xpose = 0;

  else if(coutpose == div1)
    clk1xpose = ~clk1xpose;
  else if(coutpose == div2)
    clk1xpose = ~clk1xpose;
  else
    clk1xpose = clk1xpose;
end
always@(negedge clk or negedge rst)
begin
  if(!rst)

    clk1xnege = 0;

  else if(coutnege == div1)
   clk1xnege = ~clk1xnege;
  else if(coutnege == div2)
   clk1xnege = ~clk1xnege;
  else
   clk1xnege = clk1xnege;
end
always@(posedge clk or negedge rst)
begin
  if(!rst)
   coutpose = 0;
  else if(coutpose == div2)
   coutpose = 0;
  else
   coutpose = coutpose + 1;
end
always@(negedge clk or negedge rst)
begin
  if(!rst)
   coutnege = 0;
  else if(coutnege == div2)
   coutnege = 0;
  else
   coutnege = coutnege + 1;
end
endmodule