2025年FPGA設(shè)計試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于FPGA內(nèi)部基本單元的描述，錯誤的是（）A.CLB（可配置邏輯塊）是FPGA的核心邏輯單元，通常由LUT、觸發(fā)器和進(jìn)位鏈組成B.BRAM（塊RAM）是FPGA中的分布式存儲資源，適用于小容量、高靈活性的存儲場景C.DSP（數(shù)字信號處理）模塊可實現(xiàn)乘法、累加等運(yùn)算，支持定點和浮點計算D.I/OBANK（輸入輸出單元）包含電平轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理和端接電阻配置功能2.在FPGA開發(fā)流程中，“將RTL代碼轉(zhuǎn)換為與工藝無關(guān)的門級網(wǎng)表”的步驟是（）A.綜合（Synthesis）B.布局（Placement）C.布線（Routing）D.時序分析（TimingAnalysis）3.以下哪種場景最適合使用FPGA實現(xiàn)？（）A.大規(guī)模并行數(shù)據(jù)預(yù)處理（如視頻幀差計算）B.復(fù)雜算法的長期穩(wěn)定運(yùn)行（如服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫管理）C.低功耗單任務(wù)控制（如物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點）D.高精度浮點運(yùn)算（如科學(xué)計算中的矩陣求逆）4.關(guān)于FPGA時鐘管理模塊（PLL/DCM）的功能，錯誤的描述是（）A.支持時鐘頻率的倍頻、分頻和相位調(diào)整B.可降低時鐘抖動（Jitter），提高時鐘質(zhì)量C.必須輸出與輸入時鐘同相位的時鐘信號D.提供時鐘丟失檢測（LossofLock）功能5.跨時鐘域（CDC）設(shè)計中，以下哪種信號不需要使用同步器處理？（）A.控制信號（如使能信號EN）B.多比特狀態(tài)信號（如4位計數(shù)器值）C.高速數(shù)據(jù)總線（如16位并行數(shù)據(jù)）D.單比特脈沖信號（如中斷請求IRQ）6.FPGA設(shè)計中，“時序收斂”的核心目標(biāo)是（）A.確保所有寄存器的建立時間（SetupTime）和保持時間（HoldTime）滿足要求B.減少邏輯資源（LUT/FF）的使用量C.提高設(shè)計的可測試性（DFT）D.優(yōu)化功耗，降低芯片溫度7.以下哪種IP核不屬于FPGA的硬核（HardIP）？（）A.千兆以太網(wǎng)MAC控制器（集成于FPGA內(nèi)部）B.ARMCortex-A53處理器（嵌入在FPGA的SoC架構(gòu)中）C.用戶自定義的16位加法器（用LUT和觸發(fā)器實現(xiàn)）D.PCIeGen4控制器（由FPGA廠商預(yù)設(shè)計的固定電路）8.在Vivado工具中，用于查看設(shè)計的資源使用情況（如LUT、BRAM、DSP的占用率）的功能是（）A.SynthesisReportB.TimingSummaryC.PowerAnalysisD.Post-ImplementationNetlist9.關(guān)于FPGA動態(tài)可重構(gòu)（PartialReconfiguration）技術(shù)，正確的描述是（）A.只能在設(shè)計初始化階段加載配置位流B.可在不重啟系統(tǒng)的情況下更新部分邏輯功能C.會顯著增加設(shè)計的靜態(tài)功耗D.對時序約束的要求低于靜態(tài)設(shè)計10.以下哪項不是FPGA低功耗設(shè)計的常用方法？（）A.關(guān)閉未使用的I/OBANK電源B.減少時鐘樹的扇出（Fan-Out）C.采用流水線（Pipelining）結(jié)構(gòu)D.增加組合邏輯的級數(shù)二、填空題（每空2分，共20分）1.FPGA的核心邏輯單元LUT（查找表）本質(zhì)上是一個______，N位LUT可實現(xiàn)任意______輸入的布爾函數(shù)。2.當(dāng)前主流FPGA的典型工藝節(jié)點為______（填寫數(shù)值+單位，如7nm），其內(nèi)部布線資源主要包括______和全局時鐘網(wǎng)絡(luò)。3.異步FIFO（先入先出隊列）設(shè)計中，關(guān)鍵參數(shù)包括______（用于避免溢出/下溢）和______（用于同步讀寫指針）。4.時序約束文件（SDC）中，“set_false_path”指令的作用是______，“set_clock_uncertainty”用于定義______。5.FPGA配置方式中，“主動配置”指______，“被動配置”指______。三、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述FPGA中“LUT+觸發(fā)器”組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并說明其如何支持時序邏輯設(shè)計。2.對比同步復(fù)位（SynchronousReset）和異步復(fù)位（AsynchronousReset）的異同，舉例說明各自的適用場景。3.列舉3種跨時鐘域信號處理的常用方法，并分別說明其適用條件（如信號類型、時鐘頻率關(guān)系等）。四、綜合設(shè)計題（30分）設(shè)計一個基于FPGA的UART（通用異步收發(fā)器）模塊，要求支持9600/19200/38400波特率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位。請完成以下任務(wù)：（1）畫出模塊的頂層端口圖，標(biāo)注所有關(guān)鍵信號（包括輸入/輸出方向）。（2）說明波特率發(fā)生器的實現(xiàn)原理，給出關(guān)鍵參數(shù)的計算方法（假設(shè)系統(tǒng)時鐘為50MHz）。（3）設(shè)計接收模塊（RX）的狀態(tài)機(jī)，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖并描述各狀態(tài)的功能。（4）提出至少2種時序優(yōu)化措施，確保RX/TX模塊滿足建立時間和保持時間要求。（5）給出驗證該模塊功能的測試方案（包括仿真激勵和關(guān)鍵驗證點）。參考答案一、單項選擇題1.B（BRAM是塊存儲資源，分布式存儲對應(yīng)DistributedRAM）2.A（綜合階段將RTL轉(zhuǎn)換為門級網(wǎng)表）3.A（FPGA適合并行計算，服務(wù)器/低功耗/高精度浮點更適合CPU/MCU/GPU）4.C（PLL/DCM可調(diào)整相位，無需與輸入同相位）5.C（多比特數(shù)據(jù)需用異步FIFO或握手協(xié)議，同步器僅適用于單比特）6.A（時序收斂的核心是滿足Setup/Hold時間）7.C（用戶自定義加法器是軟核，硬核為廠商預(yù)設(shè)計的固定電路）8.A（SynthesisReport包含資源占用信息）9.B（動態(tài)可重構(gòu)支持部分邏輯在線更新）10.D（增加組合邏輯級數(shù)會延長延遲，與低功耗無關(guān)）二、填空題1.靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）；N2.5nm（或7nm）；局部互連線/長線/中線（任選其一）3.FIFO深度；同步器（或格雷碼轉(zhuǎn)換）4.忽略某條路徑的時序約束；時鐘抖動/偏移的容限5.FPGA主動從外部存儲加載配置；外部控制器向FPGA推送配置三、簡答題1.優(yōu)勢：LUT實現(xiàn)組合邏輯，觸發(fā)器存儲狀態(tài)，二者結(jié)合可靈活實現(xiàn)任意時序邏輯；LUT的N輸入特性支持復(fù)雜邏輯函數(shù)，觸發(fā)器確保狀態(tài)同步。時序邏輯設(shè)計：LUT根據(jù)當(dāng)前輸入和觸發(fā)器反饋的狀態(tài)計算下一狀態(tài)，觸發(fā)器在時鐘邊沿鎖存新狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移（如計數(shù)器、狀態(tài)機(jī)）。2.異同：同步復(fù)位僅在時鐘有效邊沿檢測復(fù)位信號，異步復(fù)位立即響應(yīng)復(fù)位信號（與時鐘無關(guān)）。同步復(fù)位：抗干擾性強(qiáng)（復(fù)位信號需滿足時鐘沿的建立保持時間），適用于對時序一致性要求高的場景（如高速接口）；異步復(fù)位：響應(yīng)速度快，適用于需要快速復(fù)位的場景（如安全關(guān)鍵電路），但需額外處理異步復(fù)位釋放時的亞穩(wěn)態(tài)問題（通過同步器打拍）。3.方法及適用條件：-雙觸發(fā)器同步器：單比特慢變信號（如控制信號），源時鐘與目標(biāo)時鐘無嚴(yán)格頻率比要求（需滿足Tsu/Th）；-異步FIFO：多比特數(shù)據(jù)或連續(xù)數(shù)據(jù)流，適用于讀寫時鐘異步（如不同頻率或相位）的場景；-握手協(xié)議（Ready/Valid）：多比特信號或控制流程，需源端和目標(biāo)端通過握手信號（如Valid、Ready）同步，適用于低延遲或嚴(yán)格時序控制的場景。四、綜合設(shè)計題（1）頂層端口圖：輸入信號：clk（50MHz系統(tǒng)時鐘）、rst_n（低有效復(fù)位）、rx_data（UART接收數(shù)據(jù)線，單比特輸入）、baud_sel（2位波特率選擇信號，00=9600，01=19200，10=38400）；輸出信號：tx_data（UART發(fā)送數(shù)據(jù)線，單比特輸出）、rx_done（接收完成標(biāo)志，高有效）、tx_busy（發(fā)送忙標(biāo)志，高有效）、rx_data_out（8位接收數(shù)據(jù)）。（2）波特率發(fā)生器：波特率周期=1/波特率（如9600波特率周期≈104.17μs）；系統(tǒng)時鐘周期=1/50MHz=20ns；計數(shù)閾值=波特率周期/系統(tǒng)時鐘周期=(1/9600)/(20×10??)≈5208（9600波特率）；同理，19200對應(yīng)2604，38400對應(yīng)1302。通過計數(shù)器（模值由baud_sel控制）實現(xiàn)，計數(shù)到閾值時生成波特率時鐘邊沿。（3）接收模塊狀態(tài)機(jī)：狀態(tài)定義：IDLE（空閑）、START（檢測起始位）、DATA（接收數(shù)據(jù)位）、STOP（接收停止位）、DONE（完成標(biāo)志置位）。-IDLE：等待rx_data由高變低（起始位），進(jìn)入START狀態(tài)并啟動采樣計數(shù)器；-START：在起始位中間位置（1.5倍波特率周期）采樣rx_data，若為低則確認(rèn)起始位有效，進(jìn)入DATA狀態(tài)；-DATA：依次接收8位數(shù)據(jù)（每位在中間位置采樣），每接收一位計數(shù)器清零，接收完成后進(jìn)入STOP狀態(tài)；-STOP：采樣停止位（高電平），若有效則進(jìn)入DONE狀態(tài)，否則報錯（可忽略）；-DONE：置位rx_done標(biāo)志，延遲一個周期后返回IDLE。（4）時序優(yōu)化措施：-對rx_data輸入信號使用雙觸發(fā)器同步（抗亞穩(wěn)態(tài)），確保進(jìn)入內(nèi)部邏輯前穩(wěn)定；-將波特率發(fā)生器的計數(shù)器與狀態(tài)機(jī)寄存器放在同一時鐘域，減少跨時鐘域延遲；-對關(guān)鍵路徑（如數(shù)據(jù)采樣路徑）進(jìn)行寄存器切割（Pipelining），縮短組合邏輯延遲；-約束波特率時鐘與系統(tǒng)時鐘的相位關(guān)系（如set_clock_phase），減少時鐘偏移影響。（5）驗證方案：-仿真激勵：生成不同波特率的輸入數(shù)據(jù)（如0x55、0xAA等測試碼），包含起始位、數(shù)據(jù)位、停止位；注入