笔试题-2023-瑞芯微-数字IC设计【附答案及解析】
1、(10分)[简答题] 找规律填数:
2, 12, 1112, 3112，132112, ( )
1, 3,5, 6, 9, 14,20, （ )
答案及解析*：
规律是根据前一个数的数列进行描述。首先从2开始，读作1个2，即“12”；下一个数描述的是第一个数的数列，所以读作1个1、1个2，即“1112”；接下来一个三项的数列，描述前一个数的数列，即3个1、2个2、1个1，即“3112”；接下来是“132112”，描述前一个数的数列，即1个3、1个1、2个2、1个1。所以答案为“11132112”。
规律是从第二位开始，每个数是前面两个数之和。所以答案为29。
2、(10分)[简答题]小明一家过桥，过桥时是黑夜，必须有灯。现在小明过桥要1秒，小明的弟弟过桥要3秒，小明的爸爸过桥要6秒，小明的妈妈过桥要8秒，小明的爷爷过桥要32秒。每次此桥最多可过两人，而过桥的速度依过桥最慢者而定，在只有一盏灯的条件下，请问小明一家如何过桥所需时间最短?最短时间为多少?
答案及解析*：
小明一家过桥可以采用贪心策略，即每次让速度最快和速度次快的两个人一起过桥，因为这样可以尽量减小总用时。
具体实现方法如下：
将小明的一家按照过桥速度升序排序，即 “1秒”，“3秒”，“6秒”，“8秒”，“32秒”。
将小明和弟弟先过桥，用时为 3 秒。
将小明回去，用时为 1 秒。
将小明和爸爸一起过桥，用时为 6 秒。
将小明回去，用时为 1 秒。
将小明和妈妈一起过桥，用时为 8 秒。
将小明回去，用时为 1 秒。
将小明和爷爷一起过桥，用时为 32 秒。
总用时为：3 + 1 + 6 + 1 + 8 + 1 + 32 = 52 秒。
所以小明一家过桥所需时间最短为 52 秒。
3、(10分)[简答题]如何让设计的电路更优，可以从哪些方面考虑?写出下面真值表的逻辑表达式，结果用与或式表示
答案及解析：
为了让设计的电路更优，可以从以下几个方面考虑：
设计的电路应该满足需求，并且能够在预期的时间内完成工作。因此，我们需要确保设计选择的算法和数据结构足够高效，以最大程度减少电路的运算延迟，从而提高电路的性能。
设计的电路的可靠性需要得到保证。当电路运行在极端工作条件下或长时间运行时，电路可能会出现故障。因此，在设计电路时，应该做好故障诊断和处理工作，避免电路出现故障导致工作异常或损坏。
设计的电路要易于维护。在实际生产环境中，设计的电路可能需要进行维护和修改。为了减少维护成本，我们应该采用模块化的设计思路，将电路分成多个组件，保持代码清晰、简洁易读。
设计的电路要尽量节约成本。在商业应用中，电路的成本会直接影响产品的竞争力。因此，我们应该选择性价比高的器件和材料，并在设计时尽量减少电路的部件和线路数量，以降低成本。
最后，电路的安全性也需要考虑。对于一些应用场景，如金融系统、军事系统等，追求高性能的同时还需要确保电路的安全性和可靠性。因此，需要对电路进行严格的安全测试和评估，确保电路不受攻击和破坏。
4、(10分)[简答题] 如下一个分频电路，触发器建立时间Tsu = 2ns,保持时间Thold = 2ns,逻辑延时Tq = 6ns,反相器延时Tinv=2ns,导线理想，求电路正常工作的最高频率
答案及解析*：
该分频电路可以看作一个环形计数器，它由两个触发器和一个反相器组成。当 CLK 信号从低电平到高电平进行跳变时，第一个触发器 Q1 会被置位，反相器会将输出反向，第二个触发器 Q2 会被清零，而输出不变。当 CLK 信号到达下一个上升沿时，第一个触发器 Q1 的输出变为低电平，反相器将其反向，并将第二个触发器 Q2 置位，从而完成计数器的计数。
为了保证电路正常工作，要求 CLK 信号的频率必须小于计数器的最高工作频率，即在 CLK 脉冲到来时，计数器完成计数所需时间应小于 CLK 周期的一半。
计数器从零开始计数，所以当 CLK 脉冲到来时计数器的值为 0。下一个 CLK 脉冲到达时，计数器完成一次计数，输出为 1。因此，计数器完成计数所需时间为 CLK 周期的一半，即 1/2f，其中 f 为 CLK 的频率。根据分频电路的设计，该计数器是 2 分频电路，即当计数器计数到 2 时，输出为 0，重新开始计数，因此，计数器完成计数的时间为 2/2f。因此，要保证分频电路的正常工作，有以下条件：
2/2f <= 1/2f
即 f <= 2 GHz。
因此，分频电路的正常工作频率应小于等于 2 GHz。
5、(10分)[简答题] 请画出clock gating的电路结构以及波形图，并说明它的用途。
答案及解析*：
Clock gating（时钟门控）是一种电路设计技术，用于降低电路的功耗和延迟，通过动态地关闭时钟信号以减少非必要的计算操作。
时钟门控的电路结构包括一个门控逻辑和一个时钟逻辑，门控逻辑的输入信号来自于时钟信号和控制信号，通过门控逻辑对时钟信号进行控制，只有当控制信号为高电平时，时钟信号才能通过，驱动电路工作。时钟逻辑则是电路的主要计算部分。
下面是一个简单的时钟门控电路：
时钟门控电路的波形图如下所示：
当控制信号 Enable 为低电平时，门控逻辑将时钟信号 gate 置为低电平，时钟信号无法到达时钟逻辑，因此，时钟逻辑不会工作。当控制信号 Enable 为高电平时，门控逻辑将时钟信号 gate 置为高电平，时钟信号可以到达时钟逻辑，驱动电路工作。
时钟门控的用途是通过关闭时钟信号来降低电路的功耗和延迟，特别是在数字电路中，时钟周期较短且时钟频率较高的电路中，使用时钟门控技术可以显著降低功耗和延迟，并减少由于时钟衰减和噪声引起的时序问题。此外，时钟门控还可以用于实现对电路的复位和停顿操作，在某些应用场景下具有实用价值。
6、(10分)[简答题] 请画出F=~(D+A*(B+C))的CMOS电路结构，其中A、B、C、D均为1bit信号。
答案及解析*：
F = ~(D + A * (B + C))
在 CMOS 电路中，NOT 门由一个 pMOS 和一个 nMOS 组成，AND 门由两个 nMOS 和一个 pMOS 组成，OR 门由两个 pMOS 和一个 nMOS 组成。
因此，可以根据布尔表达式 F=~(D+A*(B+C))，设计出以下 CMOS 电路结构：
其中，每个输入信号都要先经过一个 NOT 门取反。A、B、C、D 经过取反之后，可以通过传输门将它们与各自的系数相乘，得到 A(B+C) 和 D。A(B+C) 与 D 再通过 OR 门进行相加，最后再通过一个 NOT 门取反，得到输出 F。
7、(5分)[简答题] 下图所示4位右移位寄存器，0时刻ABCD初始状态为0011,请写出5个时刻后的ABCD输出:
8、(10分)[简答题]一个8比特位宽的异步FIFO 输入时钟频率为100Mhz,输出时钟频率为95Mhz,设一个数据包为4000 bit,且传输过程中两个数据包之间间隔足够大，请问异步FIFO深度至少应设为多少?
答案及解析*：
异步 FIFO 的深度取决于输入时钟频率和输出时钟频率之间的差异，以及传输的数据包大小。由于异步 FIFO 没有统一的时钟信号，输入和输出时钟的频率不同，可能会导致读写指针的跨度不一致，造成 FIFO 溢出或空洞。为了解决这个问题，需要调整 FIFO 的深度，使其能够缓存足够的数据，以允许输入时钟和输出时钟的频率差异。FIFO 的深度可以通过以下公式计算：
FIFO Depth = (Input Clock Frequency / Output Clock Frequency) × (Data Packet Size)
在这个问题中，输入时钟频率为 100Mhz，输出时钟频率为 95Mhz，数据包大小为 4000 比特。将这些值代入公式中，可以得到 FIFO 的深度为：
FIFO Depth = (100Mhz / 95Mhz) × (4000 bit) ≈ 4210 bit
因此，异步 FIFO 的深度至少应设置为 4210 个比特。需要注意的是，由于异步 FIFO 的设计较为复杂，具体实现方式可能会根据应用场景和器件特性而有所不同。
9、(15分)[简答题] verilog编程实现如下功能: 输入数据流，找出从起始到当前数据中第二小的数，并输出其出现的次数.
答案及解析*：
下面是一种 Verilog 代码的实现方式，该代码可以找出从起始到当前数据中第二小的数，并输出其出现的次数：
这个模块输入一个时钟信号 clk，一个复位信号 rst，以及一个 32 位数据信号 data_in。在从最初的数据开始，数据会被更新，每个时钟周期一次，并在数据流一直到当前时刻的范围内找到第二小的值，然后统计该值的出现次数，最后输出结果。
在这个模块中，使用了四个 reg 类型的变量：smallest、second_smallest、temp_data 和 temp_count。其中，smallest 和 second_smallest 分别用于记录从开始到当前时刻的最小值和第二小的值，temp_data 和 temp_count 则用于临时存储数据和计数。
实现逻辑如下：
如果 rst 信号为高，则需要将最小值、第二小的的值、临时数据和计数器值都置为初始状态。
如果当前的数据值小于最小值，则更新最小值。
如果当前的数据值大于等于最小值并且小于第二小的值，则更新第二小的值。
如果当前的数据值等于第二小的值，则将值的计数器加 1。
如果当前的数据值等于最小值，则输出第二小的值和计数器的值，并将临时数据值和计数器值重新初始化。
在每个时钟周期的结尾，模块都会输出 second_smallest 和 count 信号。
10、(10分)简答题](1)你所了解的算法接口协议有哪些?尽可能多列出接过的算法或者协议。
(2)挑选其中一个算法或者接口协议，详细阐述。可以使用公式、伪代码、图表、波形等方式。
答案及解析*：
(1) 算法接口协议：
BLAS (Basic Linear Algebra Subprograms)
FFTW (Fastest Fourier Transform in the West)
LAPACK (Linear Algebra PACKage)
MPI (Message Passing Interface)
OpenMP (Open Multi-Processing)
OpenACC (Open Accelerators)
CUDA (Compute Unified Device Architecture)
OpenCL (Open Computing Language)
Tensorflow
Pytorch
(2) 选择 OpenMP 算法接口协议，对其进行详细阐述。
OpenMP 是一种并行编程模型与接口规范，用于在共享内存系统上并行化计算任务。OpenMP 提供了一组预处理器指令、运行时库函数和环境变量，可以用于在现有程序中添加并行化、线性化或优化。OpenMP 在 C/C++ 和 Fortran 编程语言中得到广泛应用，并且在许多高性能计算和科学应用程序中使用。
OpenMP的核心思想是将程序中的任务拆分成多个子任务，每个子任务使用独立的工作线程进行处理，并在需要时合并结果。OpenMP 可以通过在程序的源代码中插入多个# pragma 指令，使工作线程在单个程序中执行多个任务。
OpenMP实现并行的步骤通常包括以下几个方面：
包含头文件：在程序开头包含<omp.h>头文件，以便使用 OpenMP 的函数和数据类型。
设置并行域：通过 #pragma omp parallel 指令来定义并行域，并为这个域内部的多个线程分配并行任务。
指定任务：在并行域中，使用 #pragma omp for 指令来分配任务，以控制任务的分配和进行负载平衡。
合并结果：在完成所有并行任务后，用 #pragma omp barrier 指令等待所有线程执行完毕。最终，使用 #pragma omp master 和 #pragma omp critical 指令来合并线程的结果和避免竞争条件。
下面是一个使用 OpenMP 进行并行计算的简单示例程序，使用 OpenMP 的 #pragma 指令来控制并行计算的范围。
以上程序使用了 OpenMP 中的 #pragma omp parallel for 指令来进行并行计算，使用多个线程并行计算数组 c 每个元素的值并将结果存储在数组 c 中。在该程序中，工作线程数量是由OpenMP根据系统硬件和软件配置自动确定的。
11、(10分)[简答题]简述FPGA等可编程逻辑器件设计流程，常用开发工具，列举一两种用过的FPGA器件型
答案及解析*：FPGA（Field Programmable Gate Arrays）或其他可编程逻辑器件通常用于在数字电路中实现任意的逻辑功能。FPGA 的设计流程可以分为如下几个步骤：
建立项目：定义器件、开发板和工具链
在设计 FPGA 之前，需要确定本次设计的器件和开发板，然后安装并配置适当的工具链，如 Xilinx 的 Vivado 工具和 Intel 的 Quartus 工具。通常还需要定义基本的电路原理图或者RTL代码模块，以及确定时钟、RAM和存储器等电路核心构建块。
设计逻辑：使用硬件描述语言进行设计
使用硬件描述语言（HDL），如 Verilog 或 VHDL，来实现设计逻辑，描述电路的行为和交互。需要考虑逻辑延迟、电源噪声、时序问题、布线等，进行相应的优化。
仿真验证：使用仿真器验证设计
使用工具链提供的仿真器，如 ModelSim 或 VCS，对设计进行仿真验证。在仿真器中，可以使用仿真测试向量来验证逻辑电路的行为和响应。
综合：将设计转换为逻辑门级电路
使用给定的工具链中的综合工具，将基于高级描述语言的电路设计转换为等效的逻辑门级电路。综合的输出文件包括电路的网表，时序约束和延迟预估等信息。
实现：将设计映射到 FPGA
利用工具链提供的编译流程，将综合后的电路设计映射到 FPGA 芯片中，生成一个.bit或.jic文件。这个文件可以通过 JTAG 接口或 BPI 闪存等方式进行编程，将设计实现到 FPGA 芯片中。
调试验证：开发板上进行 FPGA 设计验证
将生成的BIT文件或JIC文件下载到FPGA，然后使用开发板上设备的接口，通过示波器、逻辑分析器和其他工具进行调试和验证，以保证设计的正确性和性能。
常用的 FPGA 器件型号有 Xilinx 的 Virtex、Zynq，Altera（Intel）的 Cyclone，Stratix 等。这些器件提供了不同的资源，如 Look-Up Tables（LUTs）、加法器、乘法器、存储器等，以满足不同的设计需求。
12、(10分)[简答题] MCU主要由哪些模块组成，请简述下MCU的上电启动流程
MCU（Microcontroller Unit，微控制器）是一种带有专门的 CPU 核心、内存、以及各种外设接口等在单个芯片上集成的微型计算机系统。MCU 主要由以下模块组成：
CPU：扮演计算、控制整个 MCU 的中央处理器。通常采用 RISC（Reduced Instruction Set Computing）或 CISC（Complex Instruction Set Computing）架构，并且实现指令集和时钟频率等性能不同。
存储器：包括 Flash 存储器、SRAM 存储器和 EEPROM 存储器等。Flash 存储器主要用于存储程序代码和数据，SRAM 存储器则用于存放临时变量和数据。
输入输出接口：包括各种数字接口，如GPIO、PWM、SPI、I2C、UART等。
定时器：提供定时和计数功能，常用于实时系统、测量和控制等。
嵌入式模块：包括模数转换器（ADC）、数字信号处理器（DSP）、协处理器等。
MCU 上电启动流程：
外部电源打开后，电源管理单元会提供各个模块所需的电源电压和时序保证其正常工作。
内部复位电路对 CPU 和一些关键的系统族模块进行复位或清零，以确保 MCU 处于一个已知的状态。
内部时钟电路会产生 MCU 所需要的时钟信号。在晶振模式下，晶振振荡器会产生振荡信号，通过分频电路等方式得到内部时钟信号。而在 RC 模式下则采用内部 RC 振荡电路产生时钟信号。
在上电源未稳定的时刻，MCU 通常会进入一个“安全模式”，以防止在电源不稳定的情况下出现问题。
然后进行芯片的初始化，包括时钟、IO口、ADC、DMA、中断管理等配置，以确保 MCU 正常工作。此时 MCU 芯片进入初始化状态。
最后，MCU 会从 Flash 存储器中取出启动程序，并对启动程序进行执行。启动程序可以包含初始化和配置外设、初始化操作等内容，以实现 MCU 的各种功能。
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