Xilinx官方文档学习之7系列CLB资源解读（UG474）

一、写在前面

  FPGA（Filed Programmable Gata Array）现场可编程门阵列，可以看作是一个积木套件，在这个积木套件里面，我们有很多种的基本模块，我们可以根据自己的想法去组装出来不同的物品，比如：别墅、轮船、飞机等。那么，不同的人根据自己想法组装出来的物品，即使是同一个东西，可能用的基础模块数量也不一致，但是我们依然可以看出两个人组装出来的物品是同一种物品。这时，用更少的基本模块搭建出来同一物品且可靠性一致的人，我们认为他积木玩的更好。

  那么，FPGA也是一样的，内部有很多基本单元构成，我们可以通过编写代码来告诉EDA软件，来组装能够实现我们所需要功能的硬件电路。而对于不同人，实现一个功能所用到的基本单元数量不一致，而使用更少的基本单元且时序上一致，我们认为这个更好。那么，FPGA的基本单元是什么？对于Xilinx公司的FPGA，其基本构成单元是可配置逻辑块（configurable Logic Block，CLB）。

二、CLB

  可配置逻辑块（Configurable Logic Block，CLB）是Xilinx FPGA中实现时序电路和组合逻辑电路的主要逻辑资源，每个CLB单元连接到一个交换矩阵，通过交换矩阵来选择CLB单元中的Slice单元。每个CLB单元由2个Slice单元组成，如下图。

  对于FPGA中的Slice单元，又分为SliceL和SliceM。有些CLB单元由两个SliceL单元组成，有些CLB单元则由1个SliceM和1个SliceL单元组成。SliceM除了基本的组合逻辑和时序逻辑功能以外，还可以用于实现RAM和移位寄存器。（Spartan-6系列FPGA中还有SliceX）。

2.1 Slice(SliceM and SliceL)

  每个Slice包含以下资源：

• 4个LUT（Look-Up Table）
• 8个触发器（Flip-Flop）
• 宽多路复用器
• 进位逻辑

  所有的Slice都有这些基本单元来提供逻辑、算术和ROM功能，另外，一些Slice还支持两个附加功能：构建分布式RAM和32-bit移位寄存器，这些Slice称为SliceM，其余的Slice称为SliceL。每个CLB单元有两个SliceL单元组成或者由1个SliceL和1个SliceM单元组成。SliceM和SliceL如下图所示。

2.1.1 LUT

  7系列的FPGA搭载的LUT为六输入的LUT，每个Slice中的4个LUT（可以作为函数生成器，输出A、B、C、D）各自有6个独立的输入（A1 ~ A6）和两个独立的输出（O5 ~ O6）。

• 一个任意的6输入布尔函数
• 两个任意的5输入布尔函数，只要这两个函数共享输入
• 两个任意的3输入或者2输入甚至更小的布尔函数

  另外，对于Slice中的LUT单元，Slice还提供了3种多路复用器（F7AMUX、F7BMUX和F8MUX），这些多路复用器用于组合最多4个LUT，以在片中提供7输入的函数或者8输入的LUT。

• F7AMUX：用于将Slice中的LUT A和LUT B组成1个7输入的函数（8输入的查找表）；
• F7BMUX：用于将Slice中的LUT C和LUT D组成1个7输入的函数（8输入的查找表）；
• F8MUX：用于将Slice中的所有LUT（LUT A、LUT B、LUT C、LUT D）组成一个8输入的函数（8输入的查找表）；

  如果需要实现超过8个输入的LUT，可以通过多个Slice单元实现，但是在Slice之间没有像Slice内部一样，有固定的连线用于生成更大的LUT，这在FPGA布局布线时会根据设计进行布线。

2.2.2 触发器（Flip-Flop）

  每个Slice上有8个触发器，其中4个可以配置为边沿触发的D触发器或者电平敏感的锁存器。剩余的4个存储单元只能配置为边沿触发的D触发器。这里需要注意：当一个Slice中的4个触发器被配置为锁存器时，剩余的4个触发器将不能使用。也就是说，一个Slice中的触发器虽然支持配置为D触发器，也支持配置为锁存器Latch，但是并不能将一个Slice中的4个触发器配置为D触发器，4个触发器配置为锁存器Latch，一个Slice中的触发器只能配置为同一类型的器件，要么8个全部配置为D触发器，要么4个配置为锁存器，而剩余的4个不用。

2.1.2 DRAM（分布式RAM）

  SliceM中的LUT可以配置为分布式RAM，一个SliceM中的LUT可以以各种方式进行组合，从而实现更大的存储空间。1个SliceM可以通过配置实现以下规格的分布式RAM：

• Single-Port 32 x 1-bit RAM
• Dual-Port 32 x 1-bit RAM
• Quad-Port 32 x 2-bit RAM
• Simple Dual-Port 32 x 6-bit RAM
• Single-Port 64 x 1-bit RAM
• Dual-Port 64 x 1-bit RAM
• Quad-Port 64 x 1-bit RAM
• Simple Dual-Port 64 x 3-bit RAM
• Single-Port 128 x 1-bit RAM
• Dual-Port 128 x 1-bit RAM
• Single-Port 256 x 1-bit RAM
  
    分布式RAM配置包括以下几种：
  （1）单端口（Single Port）：只有1个端口，既用于同步写，也用于异步读；
  （2）双端口（Dual Port）：1个端口用于同步写和异步读，1个端口用于异步读；
  （3）简单双端口（Simple Dual Port）：1个端口用于同步写，1个端口用于异步读；
  （4）四端口（Quad Port）：1个端口用于同步写和异步读，3个端口用于异步读；
    在这里需要注意的是，上面列举一个SliceM可以构造的所有规格的DRAM，其中最大深度为256，如果要实现深度大于256的分布式RAM，则需要多个SliceM来形成更大的分布式RAM。

2.1.3 移位寄存器

  暂不做介绍。

2.1.4多路复用器

  7系列的每个Slice中提供3个固定的二选一数据选择器：F7AMUX、F7BMUX和F8MUX，另外，7系列中的单个Slice可以还可以实现以下几种规格的宽多路复用器：
（1）4选1数据选择器（4:1 MUX）：使用1个LUT，每个Slice可以生成4个4选1数据选择器；
（2）8选1数据选择器（8:1 MUX）：使用2个LUT，每个Slice可以生成2个8选1数据选择器；
（3）16选1数据选择器（16:1 MUX）：使用4个LUT，每个Slice可以生成1个16选1数据选择器；

4:1 MUX

  Slice中的每个LUT可以配置为1个4:1的MUX，一个Slice单元最多可以实现4个4:1的MUX，如下图所示。

8:1 MUX

  每个Slice单元中有1个F7AMUX和1个F7BMUX，这两个二选一数据选择器和两个LUT组合可以构造1个8:1 MUX，一个Slice单元最多可以构造2个8:1 MUX，如下图所示。

16:1 MUX

  每个Slice单元中都有1个F8MUX，结合另外两个二选一数据选择器F7AMUX、F7BMUX和4个LUT，可以构造1个16选1数据选择器，如下图所示。

  对于大于16:1的数据选择器，可以通过多个Slice之间的LUT和二选一数据选择器进行构建，但是每个Slice之间没有固定的连线，需要根据设计在布局布线阶段进行布线。

2.1.5进位逻辑

  在7系列FPGA的Slice中，还提供了专用的超前进位逻辑，用于执行快速的加减法运算。每个Slice单元中的进位链有4级，对于每一级，都有1个进位多路复用器MUXCY和1一个异或门相连，用于选择加/减法操作的进位，如下图所示。

三、写在后面

  在这里，我们学习了CLB单元的基本构造，CLB单元主要由Slice单元组成，由于Slice分为SliceM和SliceL，所以CLB可以分为两种：

• CLB(1)：由2个SliceL组成；
• CLB(2)：由1个SliceL和1个SliceM组成；

  Slice均由4个LUT、8个Flip-Flop、多路复用器和进位逻辑组成，而SliceM和SliceL的主要区别在于LUT，SliceM的LUT支持配置为DRAM，SliceL的LUT则不支持。可以用一张图总结本节的知识，如下图。

  好了，上面就是关于Xilinx FPGA中CLB资源的一些学习笔记，如果有疑义的地方欢迎评论区友好探讨学习！！！！！