2025年EDA技術與VHDL期末試卷及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.以下哪項不屬于現(xiàn)代EDA工具鏈的核心組成部分？A.綜合工具（SynthesisTool）B.布局布線工具（Place&RouteTool）C.邏輯分析儀（LogicAnalyzer）D.仿真工具（SimulationTool）2.VHDL中，信號（Signal）與變量（Variable）的主要區(qū)別是？A.信號只能在進程（Process）內(nèi)聲明，變量只能在進程外聲明B.信號的賦值立即生效，變量的賦值需要等待進程結束C.信號用于進程間通信，變量用于進程內(nèi)部臨時存儲D.信號的類型必須為標準邏輯類型（Std_Logic），變量無此限制3.下列關于硬件描述語言（HDL）的描述中，錯誤的是？A.VHDL支持自頂向下（Top-Down）和自底向上（Bottom-Up）的設計方法B.Verilog與VHDL均為IEEE標準的硬件描述語言C.HDL代碼的綜合（Synthesis）是將行為描述轉換為具體電路結構的過程D.所有HDL代碼都可以被綜合為實際硬件電路4.在時序邏輯電路設計中，以下哪種描述方式最易被綜合工具識別為觸發(fā)器（Flip-Flop）？A.ifclk'eventandclk='1'then...endifB.case語句C.并行賦值語句（ConcurrentAssignment）D.無條件的進程敏感列表（ProcessSensitivityList）5.某VHDL實體聲明如下：entitymux21isport(a,b:instd_logic;sel:instd_logic;y:outstd_logic);endmux21;其對應的2選1多路選擇器功能，正確的結構體實現(xiàn)是？A.architecturearchofmux21isbeginy<=awhensel='0'elseb;endarch;B.architecturearchofmux21isbeginprocess(a,b,sel)beginifsel='1'theny:=a;elsey:=b;endif;endprocess;endarch;C.architecturearchofmux21issignaltemp:std_logic;begintemp<=aandsel;y<=tempor(bandnotsel);endarch;D.以上均正確6.以下哪項不是FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的典型應用場景？A.高速數(shù)據(jù)采集與預處理B.通用微處理器（如x86）的指令執(zhí)行C.數(shù)字信號處理（DSP）算法加速D.定制化接口協(xié)議轉換7.在VHDL中，若需聲明一個8位無符號整數(shù)類型的信號，正確的語句是？A.signaldata:unsigned(7downto0);B.signaldata:std_logic_vector(7downto0);C.signaldata:integerrange0to255;D.signaldata:signed(0to7);8.關于EDA設計流程中的“前仿真”與“后仿真”，以下描述正確的是？A.前仿真基于布局布線后的網(wǎng)表，后仿真基于綜合后的網(wǎng)表B.前仿真關注功能正確性，后仿真需考慮時序延遲C.前仿真必須使用實際芯片的時序模型，后仿真無需時序信息D.前仿真與后仿真均由綜合工具自動完成9.某VHDL進程的敏感列表為（clk,rst），當rst信號由'1'跳變?yōu)?0'時，進程會？A.立即執(zhí)行一次B.等待clk信號變化后執(zhí)行C.不執(zhí)行，因為敏感列表僅包含clk和rst的當前值D.僅當rst的變化滿足邊沿條件（如下降沿）時才執(zhí)行10.以下哪種VHDL描述會導致組合邏輯環(huán)（CombinationalLoop）？A.進程中對同一信號進行多次條件賦值B.兩個進程分別對同一信號進行賦值C.進程敏感列表遺漏關鍵信號D.信號在進程內(nèi)部被賦值后，又作為同一進程的輸入二、填空題（每空2分，共20分）1.EDA技術的核心是利用計算機輔助工具完成__________的設計、驗證與實現(xiàn)。2.VHDL中，__________語句用于在多個條件中選擇一個執(zhí)行，其結構類似于硬件電路中的多路選擇器。3.數(shù)字系統(tǒng)設計中，__________（填“組合邏輯”或“時序邏輯”）電路的輸出僅取決于當前輸入，與歷史狀態(tài)無關。4.FPGA的基本邏輯單元通常包括__________、觸發(fā)器和連線資源。5.在VHDL中，若要實現(xiàn)時鐘信號的上升沿檢測，常用的條件判斷語句是__________。6.硬件描述語言的“可綜合性”指代碼能夠被綜合工具轉換為__________的特性。7.典型的EDA設計流程包括：需求分析→__________→仿真驗證→綜合→布局布線→時序驗證→編程下載。8.VHDL的三種描述方式為：行為描述、數(shù)據(jù)流描述和__________。9.若需設計一個模10計數(shù)器（0-9循環(huán)），其狀態(tài)寄存器的最小位數(shù)為__________位。10.在VHDL中，__________（填“信號”或“變量”）的賦值操作會引入δ延遲（無窮小延遲），用于模擬硬件電路中的實際延遲。三、簡答題（每題8分，共32分）1.簡述EDA設計中“綜合”（Synthesis）的作用，并說明綜合后的輸出文件通常包含哪些信息。2.VHDL中進程（Process）的敏感列表有何作用？若敏感列表遺漏關鍵信號會導致什么問題？請舉例說明。3.比較組合邏輯電路與時序邏輯電路的特點（至少列出3點區(qū)別）。4.說明在FPGA設計中“時序約束”（TimingConstraint）的重要性，并列舉至少兩種常見的時序約束類型。四、分析題（12分）閱讀以下VHDL代碼，回答問題：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.numeric_std.all;entitycounterisport(clk:instd_logic;rst:instd_logic;en:instd_logic;cnt:outstd_logic_vector(3downto0));endcounter;architecturearchofcounterissignalcnt_reg:unsigned(3downto0);beginprocess(clk,rst)beginifrst='1'thencnt_reg<=(others=>'0');elsifrising_edge(clk)thenifen='1'thenifcnt_reg="1001"thencnt_reg<=(others=>'0');elsecnt_reg<=cnt_reg+1;endif;endif;endif;endprocess;cnt<=std_logic_vector(cnt_reg);endarch;問題：（1）該代碼實現(xiàn)的是何種功能的電路？（2分）（2）當rst=‘1’時，電路執(zhí)行什么操作？（2分）（3）en信號的作用是什么？（2分）（4）cnt_reg的取值范圍是多少？當cnt_reg為“1001”時，下一個時鐘上升沿會如何變化？（3分）（5）若將cnt_reg的位寬改為4位無符號數(shù)（已實現(xiàn)），則該計數(shù)器的最大計數(shù)值是多少？是否為模N計數(shù)器？若是，N為多少？（3分）五、設計題（16分）設計一個4位右移寄存器，要求具備以下功能：-同步復位（高電平有效）：當復位信號有效時，寄存器輸出全0；-并行加載（高電平有效）：當加載信號有效時，從數(shù)據(jù)輸入端口D（4位）加載數(shù)據(jù)到寄存器；-右移功能：當移位使能信號有效（高電平）且未復位、未加載時，寄存器右移一位，最低位（LSB）由串行輸入SIN（1位）提供；-輸出端口為Q（4位）。要求：（1）給出實體（Entity）聲明；（4分）（2）編寫完整的結構體（Architecture），使用VHDL描述，要求代碼可綜合；（12分）參考答案一、單項選擇題1.C2.C3.D4.A5.D6.B7.A8.B9.A10.B二、填空題1.數(shù)字系統(tǒng)2.case3.組合邏輯4.查找表（LUT）5.ifrising_edge(clk)then6.具體硬件電路7.設計輸入（或HDL編碼）8.結構描述9.410.信號三、簡答題1.綜合的作用是將HDL代碼的行為描述轉換為與目標器件（如FPGA/ASIC）適配的門級網(wǎng)表（Gate-LevelNetlist），完成邏輯優(yōu)化（如化簡、復用）和映射（Mapping）。綜合后的輸出通常包括：門級網(wǎng)表文件（如EDIF格式）、時序報告（TimingReport）、資源占用報告（UtilizationReport）等。2.敏感列表用于指定進程需要監(jiān)測的信號，當列表中的信號發(fā)生變化時，進程會重新執(zhí)行。若遺漏關鍵信號，會導致進程無法及時響應信號變化，造成仿真結果與實際電路不符。例如，若組合邏輯進程的敏感列表未包含所有輸入信號，仿真時可能因未檢測到輸入變化而輸出錯誤值（如產(chǎn)生鎖存器）。3.區(qū)別：①組合邏輯無記憶功能，輸出僅由當前輸入決定；時序邏輯有記憶功能（依賴時鐘和觸發(fā)器），輸出由當前輸入和歷史狀態(tài)共同決定。②組合邏輯無時鐘信號；時序邏輯必須有時鐘（或復位）信號。③組合邏輯可能存在競爭冒險（Glitch）；時序邏輯通過時鐘同步避免亞穩(wěn)態(tài)（Metastability）。4.時序約束的重要性：確保設計滿足目標器件的時序要求（如建立時間、保持時間），避免因信號延遲導致功能錯誤；指導布局布線工具優(yōu)化關鍵路徑。常見約束類型：時鐘頻率約束（如set_frequency100MHz）、輸入/輸出延遲約束（set_input_delay）、最大路徑延遲約束（set_max_delay）。四、分析題（1）帶同步復位、使能控制的4位十進制計數(shù)器（模10計數(shù)器）。（2）復位操作，將cnt_reg清零。（3）使能信號，當en=‘1’時允許計數(shù)器遞增，en=‘0’時保持當前值。（4）取值范圍0-9（0000-1001）；當cnt_reg為“1001”時，下一時鐘上升沿會歸零（變?yōu)?000）。（5）最大計數(shù)值為15（1111）；當前代碼中，當cnt_reg=9（1001）時歸零，因此是模10計數(shù)器（N=10）。五、設計題（1）實體聲明：entityshift_regisport(clk:instd_logic;--時鐘rst:instd_logic;--同步復位（高有效）load:instd_logic;--并行加載（高有效）en:instd_logic;--移位使能（高有效）D:instd_logic_vector(3downto0);--并行數(shù)據(jù)輸入SIN:instd_logic;--串行輸入（右移時最低位）Q:outstd_logic_vector(3downto0)--輸出);endshift_reg;（2）結構體實現(xiàn)：architecturearchofshift_regissignalq_reg:std_logic_vector(3downto0);--內(nèi)部寄存器beginprocess(clk)beginifrising_edge(clk)thenifrst='1'then--同步復位優(yōu)先級最高q_reg<=(others=>'0');elsifload=