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1 大规模数字集成电路设计 试卷 A 标准答案与评分细则 ( 卷面总分 :80 分 ) 一. 名词解释 (2 分 6 题 )( 评分标准 : 给出正确英文的 2 分 / 题, 仅给中文解释 1 分 / 题 ) 1. EDA:Electronic Design Automation 2. FPGA:Field Programmable Gate-Array 3. ASIC:Application Specific Integrated Circuit 4. SOC:System On a Chip 5. DSP:Digital Signal Processor/Processing 6. VHDL:VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language 二. 填空题 ( 每空 1 分, 共 18 分 )( 评分标准 : 填写正确 1 分 / 空 ) 1. VHDL 程序的 5 个组成部分分别为 : 实体 (Entity) 构造体(Architecture) 配置 (Configuration) 包集合(Package) 库(Library) 2. VHDL 中操作符 & 的具体名称是 : 并置运算符, 它的基本功能是 : 用于位的连接, 即低位宽组成高位宽数据 3. VHDL 描述行为的语句中有并行语句和顺序语句之分 只能当顺序语句使用的描述语句有很多, 试列举出其中三种 :IF 语句 CASE 语句 FOR 循环语句 ( 或 :WHILE 循环语句 无条件循环 LOOP 语句 ) 4. Active-HDL 软件工具编程设计录入方法最基本的三种 :HDE( 或 :HDL 编辑器 HDL Editor) BDE( 或 : 模块图编辑 Block Diagram Editor) FSM( 或 : 状态图编辑器 State Diagram Editor) 5. VHDL 的并行信号赋值语句, 除了常见的一般信号赋值语句 ( 如 :C<=A and B;) 外, 还有两种形式, 它们分别是 : 条件信号赋值语句 ( 或 : 条件型 ) 选择信号赋值语句( 或 : 选择型 ) 6. VHDL 结构描述是实体构造的层次化 结构化的表现 试列举出其中两种描述结构的语句 COMPNT 语句 ( 或 : 元件语句 ) GERATE 语句 ( 或 : 生成语句 ) ( 也可填 : GERIC 语句 / 参数说明语句 端口映射语句等 ) 7. 常用的 EDA 逻辑综合工具有很多, 请至少举出一种能综合 VHDL 语言的综合工具名称 : FPGA Express( 或 :Synpolify Synplify Pro FPGA ComplierII 等 ) 三. 简答题 (2 分 4 题 )( 评分标准 : 得分点分细目标在答案正文内 ) 1. 简述 Top-Down 设计方法及其基本步骤 1

2 所谓 Top-Down 的设计过程是指从系统硬件的高层次抽象描述向最底层物理描述的一系列转换过程 1 分 具体讲这一过程由功能级 行为级描述开始 ; 寄存器传输 (RTL) 级描述为第一个中间结果 ; 再将 RTL 级描述由逻辑综合得到网表 (Net-list) 或电路图 ; 由网表即可自动生成现场可编程门阵列 (FPGA)/ 复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 或专用集成电路 (ASIC), 从而得到电路与系统的物理实现 1 分 2. 什么是 IP?IP 主要有哪几种? 各有什么特点? IP 即 Intellectual Property 的缩写, 直译为 : 知识产权 IP 是用于 ASIC ASSP PLD 等当中, 并且是 IP 核是具有知识产权 (Intellectual Property) 的集成电路芯核 ( 预先设计好的电路功能模块 ) 的简称, 其作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起, 构成芯片的基本单位, 以供设计时 搭积木 之用 1 分 IP 分为软核 固核和硬核 0.5 分软 IP 用计算机高级语言的形式描述功能块的行为, 但是并不涉及用什么电路和电路元件实现这些行为 软 IP 的设计周期短, 设计投入少, 由于不涉及物理实现, 为后续设计留有很大的发挥空间, 增大了 IP 的灵活性和适应性 固 IP 是完成了综合的功能块, 有较大的设计深度, 以网表的形式提交客户使用 硬 IP 提供设计的最终阶段产品 : 掩膜 随着设计深度的提高, 后续工序所需要做的事情就越少, 当然, 灵活性也就越少 0.5 分 3. 请从申明格式 赋值符号 赋值生效时间 作用范围等方面对信号和变量进行比较分析 1 申明时关键字不一样, 变量为 :VARIABLE; 信号为 :SIGNAL 但申明时赋初值均用 := 符号 0.5 分 2 赋值符号不同 : 信号赋值用 <= ; 变量赋值用 := 0.5 分 3 赋值生效时间 : 信号赋值 延时后生效 ; 变量赋值立即生效 0.5 分 4 声明引用范围 : 信号在构造体内 ( 进程外 ) 申明, 整个构造体内有效 ; 变量主要在进程内申明, 只在进程内有效 0.5 分 4. 顺序语句和并行语句有什么区别?VHDL 编程中需要注意些什么? 并行语句主要有一般信号赋值语句 条件信号赋值语句 选择信号赋值语句 ; 顺序语句主要有顺序控制语句 ( 如 :if 语句 case 语句 循环语句等 ) 和 wait 语句 并行语句存在于进程外, 并发执行, 与语句所处的位值无关 ; 顺序语句存在于进程内, 语句按顺序执行, 与语句所处的位值有关 1 分 VHDL 编程中, 顺序控制语句 ( 如 :if 语句 case 语句 循环语句等 ) 必须存在于进程内 1 分四. 判断改错题 (1 分 6 题 )( 评分标准 : 给出正确答案 1 分 / 题 ; 答案基本正确 0.5 分 / 题 ) 1. 已知 A 和 B 均为 STD_LOGIC 类型的信号, 请判断下面的程序片断 : ARCHITECTURE test OF test IS IF (A = '1') TH B <= '0' ; ELSE 2

3 B <= '1' ; D IF ; D test ; IF 语句应该存在于进程 PROCESS 内 2. 请判断下面给出的信号申明语句 : SIGNAL A, B :STD_LOGIC <= '0' ; 信号申明时赋初值的 <= 符号应改用 := 符号 3. 已知 start 为 STD_LOGIC 类型的信号, 请判断下面的程序片断 : PROCESS (start) VARIABLE sum : INTEGER := 0 ; FOR i IN 1 TO 9 LOOP sum := sum + i ; D LOOP ; D PROCESS ; 变量 VARIABLE 的申明语句应该放在 语句之前 4. 已知 Q 均为 STD_LOGIC 类型的信号, 请判断下面的语句 : Q <= 'z' ; 高阻态符号应该由小写的 z 改为大写的 Z 5. 已知 A 和 B 均为 STD_LOGIC 类型的输入端口, 请判断下面的程序片断 : ARCHITECTURE test OF test IS A <= B ; D test ; A 是输入端口, 不能被赋值 6. 已知 sel 是 STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) 类型信号, 而 a b c d q 均为 STD_LOGIC 类型信号, 请判断下面给出的 CASE 语句 : CASE sel IS WH 00 => q <= a ; WH 01 => q <= b ; WH 10 => q <= c ; WH 11 => q <= d ; D CASE ; CASE 语句缺 WH OTHERS 语句 3

4 五. 编程题 ( 共计 36 分 )( 评分标准 : 得分点分细目标在答案正文 ) 1. ( 本题 6 分 ) 请用 VHDL 设计一个三输入与非门 参考答案 : LIBRARY IEEE ; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL ; TITY test1 IS PORT(A, B, C : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC ) ; D test1 ; ARCHITECTURE test1 OF test1 IS Q <= not(a and B and C); D test1 ; 2. ( 本题 8 分 ) 请用 VHDL 设计一个对时钟上升沿敏感的带同步复位的十进制加一计数器 参考答案 : LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; TITY test2 IS PORT(clk,clr : IN STD_LOGIC; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)); D test2; ARCHITECTURE test2 OF test2 IS SIGNAL count_4 : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); Q<=count_4; PROCESS(clk) IF (clk' EVT AND clk='1') TH IF(clr='1') TH count_4<="0000"; ELSIF(count_4="1001")TH count_4<="0000"; ELSE count_4<=count_4 + 1; D IF; D IF; D PROCESS; D test2; 4

5 3. ( 本题 6 分 ) 下图给出了一个计数器级联电路的模块框图 请参考给出的模块框图编写该计 数器级联电路的顶层 VHDL 程序的实体 A0 A1 Y A0 A1 Y A0 A1 Y 参考答案 : LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; TITY test3 IS PORT(,, GATE : IN STD_LOGIC; BCD_A,BCD_B,BCD_C,BCD_D : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)); D test3; 4. ( 本题 7 分 ) 请用 VHDL 设计一个二选一的选择器 要求该选择器的被选择对象和输出结果都是 4 位二进制码数据 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; TITY test4 IS PORT(sel : IN STD_LOGIC; A, B : IN STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) ; Q : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0) ) ; D test4; ARCHITECTURE test4 OF test4 IS PROCESS(A, B, sel ) CASE sel IS WH '1' => Q <= A ; WH OTHERS => Q <= B ; D CASE ; D PROCESS ; D test4 ; 5

6 5. ( 本题 9 分 ) 数字比较器的应用十分广泛, 从算术的比较 排序, 到一般逻辑电路的控制, 比如报警器 重量控制 亮度控制 温度控制等 比较器是一个使用率非常高的电路 请用 VHDL 语言设计一个八位比较器, 该比较器具有以下特征 : 1 被比较信号 A B 均为八位信号 ; 2 该比较器带异步复位端 reset; 3 比较器输出信号有三个 :AGTB AEQB ALTB 其中: 当 A 大于 B 时,AGTB=1, 否则 AGTB=0; 当 A 等于 B 时,AEQB=1, 否则 AEQB =0; 当 A 小于 B 时,ALTB=1, 否则 ALTB =0; library IEEE; use IEEE.STD_LOGIC_1164.all; entity test5 is port(clk, reset : in STD_LOGIC; A, B : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0); AGTB,AEQB,ALTB : out STD_LOGIC); end test5; architecture test5 of test5 is begin PROCESS(clk,reset) IF(reset='1') TH AGTB<='0'; AEQB<='0'; ALTB<='0'; ELSIF (clk' EVT AND clk='1') TH IF(A > B )TH AGTB<='1'; AEQB<='0'; ALTB<='0'; ELSIF(A = B )TH AEQB<='1'; AGTB<='0'; ALTB<='0'; ELSE ALTB<='1'; AGTB<='0'; AEQB<='0'; D IF; D IF; D PROCESS; end test5; 6

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