FPGA面试必备：同步逻辑、异步电路与时序设计解析

本文主要介绍了FPGA面试中常见的几类问题，包括同步逻辑与异步逻辑的概念、同步电路与异步电路的区别、时序设计的核心、建立时间与保持时间的定义，以及触发器满足建立时间与保持时间的重要性。 1. **同步逻辑与异步逻辑**： 同步逻辑是指电路中所有时钟之间存在固定的因果关系，它们共享同一个时钟源，如同步时序逻辑电路，其中触发器的时钟输入端连接在一起，状态在时钟脉冲到来时一起改变。异步逻辑则相反，各时钟之间没有固定的关系，电路状态的改变可能由外部输入直接引起，允许使用无时钟触发器或延迟元件。 2. **同步电路与异步电路的区别**： 同步电路的所有触发器由同一时钟脉冲控制，所有状态变化同步进行。而异步电路没有统一时钟，部分触发器可能直接响应外部输入，状态变化不同步。 3. **时序设计的实质**： 在电路设计中，时序设计是关键，其核心是确保每个触发器的建立时间与保持时间得到满足，以保证数据的正确传输和存储。 4. **建立时间与保持时间**： 建立时间是指在时钟边沿到来前，数据输入必须保持稳定的时间，以确保触发器能正确捕获数据。保持时间则是在时钟边沿后，数据输入仍需保持不变的最短时间，避免触发器进入亚稳态。 5. **触发器的建立时间与保持时间要求**： 不考虑时钟偏移（skew），D2的建立时间不能超过特定阈值，保持时间也有相应的限制。如果不满足这些条件，触发器可能会进入亚稳态，导致输出不稳定，需要恢复时间才能稳定，但恢复后的输出值不能保证与输入一致。 6. **触发器亚稳态及其影响**： 触发器进入亚稳态会引发错误，因为其输出会在0和1之间波动，这种不稳定性会向后续电路传播，可能导致系统错误。因此，通常采用两级触发器同步异步输入，以减少这种风险。 这些面试题目涉及了FPGA设计的基础知识，对于理解数字逻辑设计和FPGA工作原理至关重要。在准备FPGA相关的面试时，掌握这些概念是必不可少的。同时，实际工程中，还需要考虑其他因素，如时钟树综合、时序优化、功耗管理等，这些都是FPGA设计中的重要环节。