一个连环无敌面试题--计数器

笔者多年来反复用一道面试题来考察IC求职人员的水平和能力。这道面试题看似平淡无奇，大部分求职者却只知其一不知其二，知其然而不知其所以然。这是一道怎样的奇葩题目呢：

请设计一个异步复位的计数器：“从0到20的无限循环计数，每次计数到20便清0从头开始计数。”

看到这里有没有心想“Are you kidding me? So simple?”？其实不然，对于初学者而言，这其实是一个连环无敌面试题。欲知详情，请见本文一一拆解。

问题1：如何用Verilog实现这个计数器？

针对上述功能的计数器，应该如何用Verilog实现？

一般而言，大多数学过Verilog语言的人，这一个问题都能回答清楚，初步的解题思路如下：

模块有2个输入：时钟clk，复位rst_n（此处用下降沿有效的复位为例）

模块有1个输出：每次计数到20时，输出信号cnt_timeout拉起一拍

完整的Verilog代码如下：

问题2：此计数器代表的实际电路是什么？

在面试的学生回答出如何用Verilog实现计数器后，第二个问题笔者就会问：

用Verilog实现的这个计数器背后的实际电路是什么？如果给你提供多个D触发器，多个比较器，多个加法器，多个多路选择器，你怎么组合出这个电路？

经过笔者的实验统计，这个问题大概有30%的人能不假思索的回答出来，剩下的大概20%在经过引导后也能说出自己的思路和答案，而经过引导也没有思路的50%则存在着“只知语法不知电路”的问题，需要进一步学习提高。

完整电路如下：

问题3：此计数器的关键路径是哪一条？

初学者如果能够回答出上一个问题，那么说明对于电路的理解已经相当的不错，那么接下来的问题便是 ：“以上电路的关键路径在哪里”？

绝大多数的面试学生对于这个问题是难以回答的，主要原因是，不理解关键路径的含义，或者找不出关键路径。

正确答案如下：关键路径应该是从“寄存器的Q端”->加法器（ADD）->多路选择器（MUX）->“寄存器的D端”。

有关关键路径（Critical Path）的概念需要初学者自行查阅学习。

如果能够回答出上述问题，那么可以继续反问面试学生：为什么关键路径不是从“寄存器的Q端”->比较器（CMP）->多路选择器（MUX）->“寄存器的D端”。即：比较器（CMP）和加法器（ADD）哪个更关键，有关此问题，请参见后续问题。

问题4：“cnt == 20”对应的电路是什么？

上述电路中的比较器其实是“cnt == 20”，那么这段比较器代码对应的电路是什么呢？此问题非常简单，但是绝大多数初学者是回答不出来的。

正确答案：20的2进制表示为5’b10100，那么“等于”20的电路逻辑如下图所示，即对应0的位取反，对应1的位不取反，将其与在一起。此乃大二数电的基本知识。

注意：只有“等于”常数才能得到如此简洁的电路，如果是两个变量的“等于”比较则必须使用“同或”电路来实现，“同或”电路是什么逻辑？查一查大二数电的基本知识。

问题5：使用“cnt > 19”和“cnt == 20”一样吗？

针对上述电路中的比较器，接下来的问题是 ：“用cnt > 19来代替cnt == 20行吗？ 为什么”？

一个对电路有深刻理解的人应该不仅仅能回答出行不行，还能说出为什么。

正确答案如下：功能上是可行，但从电路优化的角度看，是不行的。

因为“cnt == 20”如上文所述，实现相对简单，用少量的非门及与门即可实现。但“cnt > 19” 的电路逻辑更为复杂。

具体的“cnt > 19”的电路是怎样的呢？对于这个5bit的“cnt > 19”， cnt可能的范围取值为[20:31]，综合工具会将电路优化成几个等于相与：“cnt == 20 && cnt == 21 && …… && cnt == 31”。显然“cnt > 19”的电路实现比“cnt == 20”复杂许多。所以此处用“cnt > 19”是不合适的，会带来额外的硬件开销。

上述5 bit的大于的比较电路，因为cnt的可能的取值范围是[20:31]，综合工具能将电路优化成几个等于相与，但假设cnt是32 bit的，那“cnt > 19”所代表的cnt的可能的取值范围太大，此时对于32bit的“cnt > 19”，则相当于“cnt – 19 > 0”，此比较器映射的电路将引入一个加法器。

问题6：加法器的电路是什么？

加法器的电路比较复杂，以后的系列会专门讲加法器：“登堂设计案例之：加法器真的就是写个+号这么简单吗？”。

但有一点是可以肯定的：如采用“cnt==20”的比较器，上述计数器中的加法器的延时肯定是大于比较器的。

所以，关键路径是上面所述的“寄存器的Q端”->加法器（ADD）->多路选择器（MUX）->“寄存器的D端”。

附加问题：如何验证这个计数器？

如果学生是面试IC验证工程师岗位的，此时不妨加上一些验证相关的问题：

如何验证这个计数器？

你的TB的组成是怎样的？

列举一下针对这个计数器功能描述提取的测试点？由于此系列以Verilog设计为主要讲解主题，所以验证的问题在此不深入展开讨论。

基于这个简单的计数器，您还能想出什么衍生问题可以加入这一系列的面试题呢？

结语

最后，我们总结下核心要义：Verilog只是一种硬件描述语言，IC设计的本质是对于电路的设计，虽然现在Verilog Coding采用RTL级别的抽象描述，但是必须清楚所描述的代码能够映射出的电路结构，对其面积和时序的影响都了然于胸，只有如此才能够成为一名优秀的IC设计工程师。