FPGA基础知识问答500问连载 （二）-－"我与FPGA连载活动" 基础知识, 触发器, 连载

pengpengpang

Q16：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）。
Q17：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。
Q18：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）
Q19：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。关于各个器件原语的解释可以参考《FPGA设计指导准则》p50部分。
Q20：HDL语言的层次概念？
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。
Q21：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
Q22：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.
Q23：寄生效应在ic设计中怎样加以克服和利用（这是我的理解，ic设计过程中将寄生效应的怎样反馈影响设计师的设计方案）？
IC中各元件均制作于同一衬底，注定了元件与元件之间，元件与衬底之间存在寄生效应。某些寄生效应是分立电路所没有的，因此研究IC就必须了解这些寄生效应，产生寄生效应的原因减弱或消除寄生效应的方法，避免影响电路的性能，在可能的情况下，可以利用某些寄生效应构成电路所需的元件，简化设计线路。
比如采用的措施有：
增加n+埋层
①加大了寄生PNP晶体管的基区宽度
②形成了寄生PNP晶体管基区减速场
Q24：用filp-flop和logic-gate设计一个1位加法器，输入carryin和current-stage，输出
carryout和next-stage？
process(sig_intel)
begin
case sig_intel is
when "000" => carryout <= '0';
next_state <= '0';
when "001" => carryout <= '1';
next_state <= '0';
when "010" => carryout <= '1';
next_state <= '0';
when "011" => carryout <= '0';
next_state <= '1';
when "100" => carryout <= '1';
next_state <= '0';
when "101" => carryout <= '0';
next_state <= '1';
when "110" => carryout <= '0';
next_state <= '1';
when "111" => carryout <= '1';
next_state <= '1';
when others => carryout <= 'X';
next_state <= 'X';
end case;
end process;
25：设计一个自动饮料售卖机，饮料10分钱，硬币有5分和10分两种，并考虑找零，
1.画出fsm（有限状态机）
2.用verilog编程，语法要符合fpga设计的要求
3.设计工程中可使用的工具及设计大致过程？
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity drink_auto_sale is
port(clk: in std_logic;
reset:in std_logic;
sw101:in std_logic;
sw102:in std_logic;
buy : out std_logic;
back: out std_logic);
end drink_auto_sale;
architecture Behavioral of drink_auto_sale is
type state_type is(st0,st1);
signal cs ,ns : state_type;
begin
process(clk,reset)
begin
if(reset = '1') then
cs <= st0;
elsif(clk'event and clk = '1') then
cs <= ns;
end if;
end process;
process(reset ,cs)
begin
case cs is
when st0 => if( sw101 = '1') then
ns <= st1;
buy<= '0';
back<= '0';
elsif(sw102 = '1') then
ns <= st0;
buy<= '1';
back <= '0';
else
ns <= st0 ;
buy <= '0';
back <= '0';
end if;
when st1 => if(sw101 = '1') then
ns <= st0;
buy <= '1';
back <= '0';
elsif(sw102 = '1') then
ns <= st0;
buy <= '1';
back <= '1';
end if;
when others => ns <= st0;
buy<= '0';
back <= '0';
end case;
end process;
end Behavioral;
设计过程：设定三个状态：0分，5分；当状态为0分时，接收到5分信号脉冲后转为5分；接收到10分信号脉冲时，转到0分状态，同时弹出饮料，不找零；状态为5分时，接受到5分信号，弹出饮料，不找零，返回0分状态；当接受到10分状态时，弹出饮料，找零，并返回零分状态。
所用设计工具：ISE7.1，modelsim,synplify
（不知道为什么上面的状态机设计在synplify的RTL view中没能看到状态机流程图，所以状态转移图就没画）。
Q26：什么是"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。
Q27：什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。