XILINX FPGA 7系之 CLB/LUT/FF/Multiplexers

目录

1、CLB

2、Slice

2.1、SLICEM

2.2、SLICEL

2.3、SLICEL Vs SLICEM

3、LUT

4、FF

5、Multiplexers

5.1、MUX（4：1 ）

5.2、MUX（8：1 ）

5.3、MUX（16：1 ）

6、Summary

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Xilinx FPGA 的内部结构中最基本的构成便是 CLB 了，在更好的利用 Xilinx FPGA 之前，还是有必要更多的了解它的具体组成；

这里以 Xilinx 7 系列 FPGA 为 Base 来介绍它的基本组成单元 CLB， Xilinx 官方文档关于 CLB 的介绍位于：

ug474_7Series_CLB.pdf

1、CLB

CLB 的全称是 Configurable Logic Block，即可编程逻辑块，逻辑电路就是靠对 CLB 进行配置来实现各种各样的电路。一个 CLB 由如下部分组成：

1 个 CLB 包含了称之为 2 个 Slice 的单元，每个 Slice 之间并没有直接联系，而是都连接到一个交换矩阵，以访问通用路由矩阵；既然 CLB 由 2 个 Slice组成，那么接下来看看 Slice 的组成；

 

2、Slice

Xilinx 7 系列的 Slice 分为两类：SLICEL 和 SLICEM，FPGA中三分之二的 slice 是 SLICEL 而剩余的是 SLICEM

SLICEL 和 SLICEM 的区别主要是组成的资源不一样，所以他们最终能够构成的东西也有所区别；

2.1、SLICEM

一个 SLICEM 类型的 slice 的结构

由 SLICEM 的组成，从最左边开始看，最左边：

第一列：代表的是 LUT（Look Up Table），它是 CLB 的基本组成单元，可以看到，一个 SLICEM 拥有 4 个 6 输入的 LUT（A6：A1），O5、O6 是输出；

第二列：从下往上看，由 CIN 一直到 COUT，这部分是进位逻辑；

第三列：输入的 D，输出是 Q，是 D 触发器；

第四列：MUX；

第五列：也是 D 触发器（上面写了 FF/LAT，说明也可以配置为锁存器）；

 

2.2、SLICEL

一个 SLICEL 类型的 slice 的结构

可以看到 SLICEL 类型的组成和 SLICEM 的组成基本差不多，仔细的看第一列呢？SLICEL 的 LUT 上明显比 SLICEM 的少很多东西，SLICEL 类型只有 A6：A1 和 O5、O6 输出，而 SLICEM 上内容更多；它代表 SLICEM 的 LUT 还可以作为 Distribute RAM（分布式内存）和移位寄存器逻辑；

 

2.3、SLICEL Vs SLICEM

每个 SLICEL 和 SLICEM 都拥有 4 个 6 输入 LUT，进位逻辑，以及 MUX 多路复用，和 8 个 FF，slice 均使用上面的元素来提供逻辑、算术；

SLICEM 的 LUT 能够配置为 Distribute RAM（分布式内存）和 Shift Register （移位寄存器逻辑） ；

Notes：在组成 CLB 的时候，有两种可能，一种是由两个 SLICEL 构成，另外一种是有一个 SLICEM 和 SLICEL；

所以整体来说，CLB 的构成如下所示：

 

3、LUT

LUT 查找表（Look Up Table）是 Slice 的基本组成部分，Xilinx 7 系列的 FPGA 内部每个 CLB 包含两个 Slice，每个 Slice 都包含 4 个 LUT，这些 LUT 都是 6 输入的（A1：A6），LUT 的本质是 RAM，6 输入意味着最大寻址是 2^6 也就是 64bit ，您可以将 LUT 想象为有 A1~A6 一共 6 个地址，可寻址 64bit 内容，烧写的时候，就是把这 64bit 内容准备好，当 A1：A6 输入不一样，那么寻址的 bit 内容也不一样，那么输出的 O6 也就不一样；

7系列FPGA中的函数发生器实现为六输入查找表（LUT）。slice的4个函数发生器（A，B，C和D）中的每一个都有六个独立输入（A输入A1至A6）和两个独立输出（O5和O6）。

1）函数发生器可以实现以下函数功能：

• 任意定义的六输入布尔函数
• 两个任意定义的五输入布尔函数，只要这两个函数共享公共输入
• 两个任意定义的布尔函数（3个和2个或更少输入）

2）6 输入功能使用：

• A1-A6 输入
• O6 输出

3）两个 5 输入或更少的函数使用：

• A1–A5 输入
• A6 驱动高
• O5 和 O6 输出

这里需要解释一下，配置为 1 个 6 输入的 LUT 和配置成 2 个 5 输入的 LUT 的具体情况：

一个 LUT 如下：

输入端为 A1~A6，可以寻址 2^6 = 64bits 的位，也就是 6 输入的 LUT 最终寻址是一个 bit，最终输出到 O6 上：

当配置成为 2 个 5输入的 LUT 的时候呢：

可以看到输入为 A1~A5，可以寻址就是 2^5=32bits，通过在 64bits 的 LUT 中烧录不同的 bit，可以做到同样的 A1~A5 的寻址，对应两个 32bits 空间存放的内容不一样，导致输出的 O6 和 O5 分别代表了两个 5 输入的 LUT 的输出；

 

4、FF

每个 slice 有 8 个 FF（ flip-flop 即，触发器）。

从 SLICEM 和 SLICEL 的图解可以看到，中间那一列（4个）FF 和最后一列的 FF 对比起来，最后一列 FF 多了 “FF/LAT”，有  “FF/LAT” 的 FF 代表可以配置为边沿触发D型触发器或电平敏感锁存器，也就是说，一个 Slice 中的 8 个 FF，其中有 4 个只能作为 D 触发器，另外 4 个可以配置成为 D 触发器，或者锁存器；

D输入可以通过 AFFMUX，BFFMUX，CFFMUX 或 DFFMUX 的 LUT 输出直接驱动，也可以通过AX，BX，CX或DX输入绕过函数发生器的BYPASS slice输入直接驱动。 当配置为锁存器时，当CLK为低电平时，锁存器是透明的。对应如下右图

还有四个额外的存储单元，它们只能配置为边沿触发的D型触发器。 D输入可以由LUT的O5输出驱动，也可以由AX，BX，CX或DX输入的BYPASS slice输入驱动。 当原始的四个存储单元配置为闩锁时，这四个附加的存储单元将无法使用。对应如下左图

slice 中的两种配置版本： 4个寄存器和4个寄存器/锁存器

 

5、Multiplexers

7系列FPGA中的函数发生器和相关的多路复用器可以实现以下功能：

• 使用一个LUT的 4：1 多路复用器，每个 Slice 四个 4：1 MUX
• 使用两个LUT的 8：1 多路复用器，每个 Slice 两个 8：1 MUX
• 使用四个LUT的  16：1 多路复用器，每个 Slice 一个 16：1 MUX

5.1、MUX（4：1 ）

每个LUT可以配置为4：1 MUX。 4：1 MUX可以通过触发器在同一片中实现。 一个slice中最多可以实现四个4：1 MUX，如下所示：

注意，这里其实是每一个 LUT 实现成为 MUX，LUT 的输入还是 A1-A6 一共 6 个，使用其中的 4 个 bit 表示输入的 4 MUX 的 Input 数据，使用另外 2 个 bit 作为选通信号！所以一个 LUT 可以做成 4：1 MUX，那么一个 SLICE 就可以做成 4 个 4：1 MUX 复用器；

5.2、MUX（8：1 ）

每个 Slice 具有一个 F7AMUX 和一个 F7BMUX。 这两个MUX组合了两个LUT的输出，一个slice中最多可以实现 2 个8：1 MUX，如图所示：

5.3、MUX（16：1 ）

当然也可以级联 4 个 LUT + F7AMUX + F7BMUX 在 F7AMUX + F7BMUX之后在接连 F8MUX 形成 MUX 16：1 这里不在多说；

 

6、Summary

由上所述，可以知道，Xilinx 7 系列（A，K，V，以及 ZYNQ）的 CLB 是衡量 FPGA 的资源的一种标杆，并且：

1 个 CLB 含 2 个 Slice

Slice 分为 SLICEL 和 SLICEM（三分之二的slice是SLICEL而剩余的是SLICEM）

1 个 Slice 包含 4 个 6 输入的 LUT、8个 FF（4个D触发器，4个可配D触发器和锁存器）

只有 SLICEM 是配置为 Distribute 64bit-RAM 或者 32bit 的 Shift Register 或者 2 个 16bit Shift Register。

1 个 CLB 可能是由 2 个 SLICEL 组成，或者有 1 个 SLICEL + 1 个 SLICEM

LUT  可以级联成为 4 个 1:4的 MUX，或者 2 个 1:8 的 MUX，或者1个1:16的 MUX

官方文档对一个 CLB 的资源描述为：

关于 Carry Chains、distributed RAM 和 Shift Registers 的详细内容，在以后的章节在接着分析，这里需要记住一点，这个表格中的 2 个 Slices，包含 8 个 LUT，每个 LUT 是 6 输入的，也就是 64bit，那么 8 个 LUT 不就是 8 x 64bit = 512 bit 啊，为啥只能够代表 256 的 distributed RAM？因为只有 SLICEM 才能够被配置成为 distributed RAM，一个 CLB 最多一个 SLICEM，所以need，也就是 256 bits了；

相关参考：

https://blog.csdn.net/huxiaokai2005/article/details/89460269

https://blog.csdn.net/huxiaokai2005/article/details/89460324

https://blog.csdn.net/vivid117/article/details/102841135