FPGA學習筆記

1.名詞解釋：

FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列，一般工藝SRAM（易失性），所以要外掛配置芯片。

CPLD：復雜可編程邏輯器件，一般工藝Flash（不易失）。

ASIC：專用集成電路

SOC：片上系統(tǒng)

SOPC：片上可編程系統(tǒng)

2.Verilog語法類：

①Verilog兩大數(shù)據(jù)類型：一類是線網(wǎng)類型，另一類是寄存器類型。

線網(wǎng)類型表示硬件電路元件之間實際存在的物理連線，有很多種：wire、tri、wor等等，當然日常使用wire最多，其他的都沒遇到過。

寄存器類型表示一個抽象的數(shù)據(jù)存儲單元，只能在initial或always內(nèi)部被賦值，并且變量的值將從一條賦值語句保持到下一條賦值語句。有5種：reg、time（64位無符號的時間變量）、integer（32位帶符號的整數(shù)型變量）、real/realtime（64位帶符號的實數(shù)型變量）。reg用的最多。

②Verilog建模方式：結(jié)構(gòu)化描述方式、數(shù)據(jù)流描述方式、行為描述方式、混合描述方式。

結(jié)構(gòu)描述是指通過調(diào)用邏輯原件，描述它們之間的連接來建立邏輯電路的verilog HDL模型。這里的邏輯元件包括內(nèi)置邏輯門、自主研發(fā)的已有模塊、商業(yè)IP模塊。

數(shù)據(jù)流描述是指根據(jù)信號之間的邏輯關(guān)系，采用持續(xù)賦值語句描述邏輯電路的方式。通過觀察是否使用assign賦值語句可以判斷是否有數(shù)據(jù)流描述。

行為描述是指只注重實現(xiàn)的算法，不關(guān)心具體的硬件實現(xiàn)細節(jié)。這與C語言編程非常類似。通過觀察是否使用initial 或always語句塊可以判斷是否有行為描述。

混合描述是指以上幾種描述方法都存在的一種描述方式。具體在一個工程中，不可能只是用單獨哪一種描述方式，一般都是各種描述方式的混合。

3.VHDL相對于Verilog不能描述的層級？

網(wǎng)上有段話說的是：Verilog在其門級描述的底層，即晶體管開關(guān)級的描述方面比VHDL更強一些，所以即使使用VHDL的設(shè)計環(huán)境，在底層實質(zhì)上也會由Verilog描述的器件庫所支持。

Verilog較為適合系統(tǒng)級、算法級、RTL級、門級、開關(guān)級的設(shè)計，而對于特大型（千萬門級以上）的系統(tǒng)設(shè)計，則VHDL更為適合。（VHDL比較嚴謹，而Verilog可以花式編碼）

所以，VHDL不能描述開關(guān)級。

4.阻塞與非阻塞的區(qū)別：

對于代碼：

 1 //blocking;
 2 begin
 3     B = A;
 4     C = B + 1;
 5 end
 6 //non-blocking;
 7 begin
 8     B <= A;
 9     C <= B + 1;
10 end

在always語句內(nèi)部過程賦值語句有兩種，阻塞賦值語句與非阻塞賦值語句。

兩者主要區(qū)別是完成賦值操作的時間不同，阻塞賦值語句的賦值操作是立即執(zhí)行的，即執(zhí)行后一句的時候，前一句的賦值已經(jīng)完成；而非阻塞賦值語句的賦值操作到結(jié)束順序語句塊時才完成賦值操作，即賦值操作完成后，語句塊的執(zhí)行也就結(jié)束了。即阻塞是串行執(zhí)行，非阻塞是并行執(zhí)行的。對于上述代碼，阻塞賦值中相當于C = A + 1；非阻塞賦值中B先前的值被A替代，但C的值是B先前值加1。

5.亞穩(wěn)態(tài)是什么怎么解決亞穩(wěn)態(tài)？

觸發(fā)器輸入端口的數(shù)據(jù)在時間窗口內(nèi)發(fā)生變化，會導致時序違例。觸發(fā)器的輸出在一段時間內(nèi)徘徊在一個中間電平，既不是0也不是1。這段時間稱為決斷時間（resolution time）。經(jīng)過resolution time之后Q端將穩(wěn)定到0或1上，但是穩(wěn)定到0或者1，是隨機的，與輸入沒有必然的關(guān)系。

觸發(fā)器由于物理工藝原因，數(shù)據(jù)并不是理想化的只要觸發(fā)沿時刻不變即可。觸發(fā)器有固定的建立時間，保持時間。

建立時間：在時鐘有效沿到來前數(shù)據(jù)需要穩(wěn)定的時間。

保持時間：在時鐘有效沿之后數(shù)據(jù)還需要保持不變的時間。

后果：會給設(shè)計帶來致命的功能故障。

一般來說，信號是在異步信號，跨時鐘域，復位電路中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

解決方式：

1.單比特信號：

①采用同步器同步，低速設(shè)計打兩拍，高速設(shè)計可能需要打三拍。

低速到高速時鐘域，低速信號一般能被高速時鐘域采到甚至多次。但高速時鐘域到低速時鐘域就不太好辦了：

②閉環(huán)解決方案：采用握手反饋信號，這會導致延時開銷大。

③開環(huán)解決方案：把信號展寬，至少為采樣T的1.5倍。這樣至少能采到一次。

2.多比特信號：

傳遞多比特信號，普通同步器就沒啥卵用了，因為多比特信號偶發(fā)數(shù)據(jù)變化歪斜，導致采到的不一定是正確數(shù)據(jù)。

①多比特信號融合：把多比特信號轉(zhuǎn)換為單比特信號，再用同步器同步。

②多周期路徑規(guī)劃：數(shù)據(jù)不需要同步，至需要同時傳遞一個同步的使能信號到接收時鐘域即可，使能信號沒被同步到接收時鐘域并被識別之前數(shù)據(jù)不被采集。即在信號某個沿產(chǎn)生同步脈沖指示信號。

③異步fifo。

6.競爭冒險是什么，怎么解決競爭冒險？

在組合電路中，當輸入信號改變狀態(tài)時，輸出端可能出現(xiàn)虛假信號（過渡干擾脈沖），這對電路來說是不利的。

在數(shù)字電路中，任何一個門電路只要有兩個輸入信號同時向相反方向變化（由01變成10，或者相反），其輸出端就可能產(chǎn)生干擾脈沖。

信號由于經(jīng)由不同路徑傳輸達到某一匯合點的時間有先有后的現(xiàn)象，就稱之為競爭，英文名Race;由于競爭現(xiàn)象所引起的電路輸出發(fā)生瞬間錯誤的現(xiàn)象，就稱之為冒險，英文名Hazard或者Risk。

有競爭不一定有冒險，但出現(xiàn)了冒險就一定存在競爭。

如下圖的簡單電路，由于門電路的延時，A非相對于A信號會滯后一丟丟（時間由工藝決定），這就會導致輸出產(chǎn)生一個干擾脈沖。

更現(xiàn)實一點，對于一個與門：

解決方式：

1.引入封鎖脈沖：引入負脈沖，在輸入信號發(fā)生競爭的時間內(nèi)，把可能產(chǎn)生的干擾脈沖的門鎖住。

封鎖脈沖的寬度不應(yīng)小于過渡時間且與輸出信號轉(zhuǎn)換同步。

缺點：脈沖寬度和產(chǎn)生時間有嚴格要求。

2.引入選通脈沖：在電路狀態(tài)穩(wěn)定后，再選通輸出。

缺點：脈沖寬度和產(chǎn)生時間有嚴格要求。

3.引入濾波電容：輸出端并接一個不大的濾波電容

缺點：輸出波形邊沿變壞。

4.修改邏輯設(shè)計，增加冗余項：

對于給定的邏輯 Y=AB+?C，當BC都為1的時候，若A值改變，則會發(fā)生競爭。所以可以添加冗余項：

Y=AB+?C+BC

分析有無競爭冒險：畫出函數(shù)的卡諾圖，檢查有無幾何相鄰的邏輯項，有則可能產(chǎn)生競爭冒險。

7.你使用的器件名稱含義？