筆者多年來反復(fù)用一道面試題來考察IC求職人員的水平和能力。這道面試題看似平淡無奇，大部分求職者卻只知其一不知其二，知其然而不知其所以然。這是一道怎樣的奇葩題目呢：

請設(shè)計一個異步復(fù)位的計數(shù)器：“從0到20的無限循環(huán)計數(shù)，每次計數(shù)到20便清0從頭開始計數(shù)。”

看到這里有沒有心想“Are you kidding me? So simple?”？其實不然，對于初學者而言，這其實是一個連環(huán)無敵面試題。欲知詳情，請見本文一一拆解。

問題1：如何用Verilog實現(xiàn)這個計數(shù)器？

針對上述功能的計數(shù)器，應(yīng)該如何用Verilog實現(xiàn)？

一般而言，大多數(shù)學過Verilog語言的人，這一個問題都能回答清楚，初步的解題思路如下：

模塊有2個輸入：時鐘clk，復(fù)位rst_n（此處用下降沿有效的復(fù)位為例）

模塊有1個輸出：每次計數(shù)到20時，輸出信號cnt_timeout拉起一拍

完整的Verilog代碼如下：

問題2：此計數(shù)器代表的實際電路是什么？

在面試的學生回答出如何用Verilog實現(xiàn)計數(shù)器后，第二個問題筆者就會問：

用Verilog實現(xiàn)的這個計數(shù)器背后的實際電路是什么？如果給你提供多個D觸發(fā)器，多個比較器，多個加法器，多個多路選擇器，你怎么組合出這個電路？

經(jīng)過筆者的實驗統(tǒng)計，這個問題大概有30%的人能不假思索的回答出來，剩下的大概20%在經(jīng)過引導后也能說出自己的思路和答案，而經(jīng)過引導也沒有思路的50%則存在著“只知語法不知電路”的問題，需要進一步學習提高。

完整電路如下：

問題3：此計數(shù)器的關(guān)鍵路徑是哪一條？

初學者如果能夠回答出上一個問題，那么說明對于電路的理解已經(jīng)相當?shù)牟诲e，那么接下來的問題便是 ：“以上電路的關(guān)鍵路徑在哪里”？

絕大多數(shù)的面試學生對于這個問題是難以回答的，主要原因是，不理解關(guān)鍵路徑的含義，或者找不出關(guān)鍵路徑。

正確答案如下：關(guān)鍵路徑應(yīng)該是從“寄存器的Q端”->加法器（ADD）->多路選擇器（MUX）->“寄存器的D端”。

有關(guān)關(guān)鍵路徑（Critical Path）的概念需要初學者自行查閱學習。

如果能夠回答出上述問題，那么可以繼續(xù)反問面試學生：為什么關(guān)鍵路徑不是從“寄存器的Q端”->比較器（CMP）->多路選擇器（MUX）->“寄存器的D端”。即：比較器（CMP）和加法器（ADD）哪個更關(guān)鍵，有關(guān)此問題，請參見后續(xù)問題。

問題4：“cnt == 20”對應(yīng)的電路是什么？

上述電路中的比較器其實是“cnt == 20”，那么這段比較器代碼對應(yīng)的電路是什么呢？此問題非常簡單，但是絕大多數(shù)初學者是回答不出來的。

正確答案：20的2進制表示為5’b10100，那么“等于”20的電路邏輯如下圖所示，即對應(yīng)0的位取反，對應(yīng)1的位不取反，將其與在一起。此乃大二數(shù)電的基本知識。

注意：只有“等于”常數(shù)才能得到如此簡潔的電路，如果是兩個變量的“等于”比較則必須使用“同或”電路來實現(xiàn)，“同或”電路是什么邏輯？查一查大二數(shù)電的基本知識。

問題5：使用“cnt > 19”和“cnt == 20”一樣嗎？

針對上述電路中的比較器，接下來的問題是 ：“用cnt > 19來代替cnt == 20行嗎？ 為什么”？

一個對電路有深刻理解的人應(yīng)該不僅僅能回答出行不行，還能說出為什么。

正確答案如下：功能上是可行，但從電路優(yōu)化的角度看，是不行的。

因為“cnt == 20”如上文所述，實現(xiàn)相對簡單，用少量的非門及與門即可實現(xiàn)。但“cnt > 19” 的電路邏輯更為復(fù)雜。

具體的“cnt > 19”的電路是怎樣的呢？對于這個5bit的“cnt > 19”， cnt可能的范圍取值為[20:31]，綜合工具會將電路優(yōu)化成幾個等于相與：“cnt == 20 && cnt == 21 && …… && cnt == 31”。顯然“cnt > 19”的電路實現(xiàn)比“cnt == 20”復(fù)雜許多。所以此處用“cnt > 19”是不合適的，會帶來額外的硬件開銷。

上述5 bit的大于的比較電路，因為cnt的可能的取值范圍是[20:31]，綜合工具能將電路優(yōu)化成幾個等于相與，但假設(shè)cnt是32 bit的，那“cnt > 19”所代表的cnt的可能的取值范圍太大，此時對于32bit的“cnt > 19”，則相當于“cnt – 19 > 0”，此比較器映射的電路將引入一個加法器。

問題6：加法器的電路是什么？

加法器的電路比較復(fù)雜，以后的系列會專門講加法器：“登堂設(shè)計案例之：加法器真的就是寫個+號這么簡單嗎？”。

但有一點是可以肯定的：如采用“cnt==20”的比較器，上述計數(shù)器中的加法器的延時肯定是大于比較器的。

所以，關(guān)鍵路徑是上面所述的“寄存器的Q端”->加法器（ADD）->多路選擇器（MUX）->“寄存器的D端”。

附加問題：如何驗證這個計數(shù)器？

如果學生是面試IC驗證工程師崗位的，此時不妨加上一些驗證相關(guān)的問題：

如何驗證這個計數(shù)器？

你的TB的組成是怎樣的？

列舉一下針對這個計數(shù)器功能描述提取的測試點？由于此系列以Verilog設(shè)計為主要講解主題，所以驗證的問題在此不深入展開討論。

基于這個簡單的計數(shù)器，您還能想出什么衍生問題可以加入這一系列的面試題呢？

結(jié)語

最后，我們總結(jié)下核心要義：Verilog只是一種硬件描述語言，IC設(shè)計的本質(zhì)是對于電路的設(shè)計，雖然現(xiàn)在Verilog Coding采用RTL級別的抽象描述，但是必須清楚所描述的代碼能夠映射出的電路結(jié)構(gòu)，對其面積和時序的影響都了然于胸，只有如此才能夠成為一名優(yōu)秀的IC設(shè)計工程師。