谈谈Mux与门电路的相互替换（包含实例分析）

今天开始正式尝试使用微信公众号同步博客文章，个人博客地址为：https://blog.csdn.net/Reborn_Lee

在秋招中，经常遇到的问题是用Mux替换门电路，例如与门，或门，非门，缓冲器，异或，甚至一位全加器，之前写过与此相关的博客如：

【Verilog HDL 训练】第 04 天（竞争、冒险、译码等）：

4. 如果一个标准单元库只有三个cell：2输入mux(o = s ？a ：b;)，TIEH(输出常数1)，TIEL(输出常数0)，如何实现以下功能？ 4.1 反相器inv 4.2 缓冲器buffer 4.3 两输入与门and2 4.4 两输入或门or2 4.5 四输入的mux mux4 4.6 一位全加器 fa

IC/FPGA大疆笔试题分析(预分析)：

1 如果只使用2选1mux完成异或逻辑，至少需要几个mux？

这几个问题，都是让用Mux来替换门电路的问题。

但今天讨论的重点是如何用门电路来替换Mux，这个问题，在秋招提前批的时候也是遇到过的，也许并不是单独来考你，但是可以通过嵌入到某个专题里面来考察，例如可以用在跨时钟域的脉冲同步问题，从快时钟域到慢时钟域的脉冲同步问题，我们需要进行电平展宽，这里展宽的always块就会综合成Mux，但是如果人家指定要门电路实现，你就得懂得如何用门电路替换Mux。

单比特信号的跨时钟域处理

考题（某发科）重现：

有两个时钟域A和B，脉冲a在时钟域A中保持一个时钟周期，现要把脉冲A同步到时钟域B中，试用D触发器、与门、或门、非门以及异或门画出电路图实现这个功能。（某发科IC现场笔试题）

这里只提出这些问题，解决的话在各自具体的博文里面，这篇博文我边写边构思，大概率只出现mux与门电路的替换而已。

Mux如下：

用Verilog描述：

wire F;
assign F = sel ? B : A;


//或者
reg F;
always@(*)
    if(sel) F = B;
    else F = A;

借用FPGA之道的描述：

多路复用器，也称多路选择器，通常简称为MUX，它有一组控制输入端口和两个以上的数据输入端口，但仅有一个输出端口。多路复用器的功能简单来说就是完成数据通道的复用，以节省数据通道的个数，即根据控制输入端口的情况，选择多个数据输入端口中的一个和输出端口进行连接，请注意，同一个时刻仅有一个数据输入端口能够连接到输出端口，因此多路复用器是时分复用数据通道的。其中，控制输入端口的数量和数据输入端口的数量是存在相互制约关系的，即，若控制端口的数量为N，那么输入端口的数量必须小于等于2的N次幂且大于2的N-1次幂，反之亦然。 例如，若仅有两个数据输入端口，那么只需要一个控制端口即可；若有3或4个数据输入端口，那么则需要两个控制端口；等等。

多路复用器属于小规模集成组合逻辑单元，它的实现方式很多，以MUX2IN1为例，可以利用与、或、非门实现如下：

也可以用三态门实现：

可见，还是很简单的，那就放到具体的实例中尝试一下吧，以单周期脉冲的跨时钟域传输来说，我们用一种通用的方法（适用于从快到慢时钟域的方法，肯定也适用于从慢到快）；

有两个时钟域A和B，脉冲a在时钟域A中保持一个时钟周期，现要把脉冲A同步到时钟域B中，试用D触发器、与门、或门、非门以及异或门画出电路图实现这个功能。（某发科IC现场笔试题）

我们之前的博客用Verilog描述出来了这个过程：

这里分步骤分析下：

module Sync_Pulse(
    input           clka,
    input           clkb,
    input           rst_n,
    input           pulse_ina,
    output          pulse_outb
);
//
endmodule

先给出输入输出，如上：

其中，pulse_ina是a时钟域内的单周期脉冲信号，现在同步到b时钟域；我们处理的步骤是：

第一步，需要将pulse_ina在时钟域clka内展宽：

module Sync_Pulse(
    input           clka,
    input           clkb,
    input           rst_n,
    input           pulse_ina,
    output          pulse_outb,
    output          signal_outb
);
//-------------------------------------------------------
reg             signal_a;
reg             signal_b;
reg             signal_b_r;
reg             signal_b_rr;
reg             signal_a_r;
reg             signal_a_rr;
//-------------------------------------------------------
//在clka下，生成展宽信号signal_a
always @(posedge clka or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        signal_a <= 1'b0;
    end
    else if(pulse_ina == 1'b1)begin
        signal_a <= 1'b1;
    end
    else if(signal_a_rr == 1'b1)
        signal_a <= 1'b0;
    else
        signal_a <= signal_a;
end
//...
endmodule

注意，signal_a_rr是反馈信号，为高时将展宽信号拉低，表示信号展宽结束。

这段代码用MUX如何去画出RTL原理图呢？

见下图：

用上面的与门和或门改写这个图为：

之后，就和本次博文没有什么大关系了，为了内容完整性，我还是简单补全吧。

脉冲展宽后，我们就用clkb来采样展宽信号，并用边沿检测来生成clkb时钟域内的单周期脉冲，表示同步到了。

//在clkb下同步signal_a
always @(posedge clkb or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        signal_b <= 1'b0;
    end
    else begin
        signal_b <= signal_a;
    end
end
//-------------------------------------------------------
//在clkb下生成脉冲信号和输出信号
always @(posedge clkb or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        signal_b_r <= 'b0;
        signal_b_rr <= 'b0;
    end
    else begin
        signal_b_rr <= signal_b_r;
        signal_b_r <= signal_b;
    end
end
assign    pulse_outb = ~signal_b_rr & signal_b_r;
assign    signal_outb = signal_b_rr;

最后就是生成反馈信号了：

//在clka下采集signal_b_rr，生成signal_a_rr用于反馈拉低signal_a

always @(posedge clka or negedge rst_n)begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        signal_a_r <= 'b0;
        signal_a_rr <= 'b0;
    end
    else begin
        signal_a_rr <= signal_a_r;
        signal_a_r <= signal_b_rr;
    end
end

当然，除了这个题目可以用到门电路来搭建MUX，昆山的某个公司（lanqi）中某个题目 ，用MUX也很方便，可是要求用门电路，那我们只需用门电路转换为Mux即可。

具体题目：

画图的方式有很多种，可以根据代码画出电路图，可以根据波形图画出电路，有了电路，Verilog描述肯定没有任何问题。

所谓，用Verilog做设计时，要心中有电路，这是和C的一个区别。

这种波形产生题目，只给一个输入时钟，让你画出输出波形，有的题目还会这些出，给你一个时钟，和一个输入输出，让你设计电路实现，大同小异。

既然条件很少，我们能做的也很少，就本体而言，无非就是对时钟进行二分频，然后用下降沿采样，最后(通过逻辑运算)构成一个占空比为1/4的二分频输出。

如下图：

clk_2是占空比为50%的二分频信号，clk_2r是用clk的下降沿采样后的信号，二者进行（clk-2为1，clk_2r为0时，输出为1，其他为零）；

可以画出使用mux的第二个电路图，然后我们把mux改为门电路，即可得到最后的结果，请自行将剩下部分加上。

举了两个例子，本博文大概可以告一段落了。

提示：用Mux表示门电路的可以参看上面给出的超链接。

最后，本博文参考：

FPGA之道以后各大公司秋招考题，但最重要的是一颗开源分享的心。水平有限，如有误，还请提出，谢谢。