FPGA重要資源CLB、Slice、LUT介紹

淺談XILINX FPGA CLB單元 之 進(jìn)位邏輯鏈（CARRY4原理分析，超前快速進(jìn)位邏輯結(jié)構(gòu)）

一、可配置邏輯塊(Configurable Logic Block, CLB)簡(jiǎn)介

CLB可配置邏輯塊是指實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能的電路，是xilinx基本邏輯單元。下圖給出了一個(gè) SLICEM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

其中包含4個(gè)6輸入LUT、進(jìn)位鏈、多路復(fù)用器和8個(gè)寄存器

在Xilinx FPGA中，每個(gè)可配置邏輯塊（CLB）包含2個(gè)Slice。每個(gè)Slice 包含查找表、寄存器、進(jìn)位鏈和多個(gè)多數(shù)選擇器構(gòu)成。而Slice又有兩種不同的邏輯片：SLICEM和SLICEL。SLICEM有多功能的LUT，可配置成移位寄存器，或者ROM和RAM。邏輯片中的每個(gè)寄存器可以配置為鎖存器使用。今天寫這篇文章的目的主要是為了讓我們搞清楚FPGA重要資源CLB、Slice、LUT。

二、進(jìn)位邏輯鏈

CLB進(jìn)位模塊

在CLB中，除了函數(shù)發(fā)生器之外，還提供了專用的快速超前進(jìn)位邏輯，以slice片中執(zhí)行快速算術(shù)加法和減法。7系列FPGA CLB具有兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)位鏈，如下圖所示。進(jìn)位鏈可級(jí)聯(lián)以形成更寬的加/減邏輯。

進(jìn)位邏輯鏈的結(jié)構(gòu)（CARRY4）

7系列FPGA 每個(gè) SLICE有 4bit 的進(jìn)位鏈。進(jìn)位鏈向上延伸，每個(gè)slice的高度為四位。對(duì)于每個(gè)位，都有一個(gè)進(jìn)位多路復(fù)用器（MUXCY） 和專用的XOR門，用于用選定的進(jìn)位位加/減操作數(shù)。專用的進(jìn)位路徑和進(jìn)位多路復(fù)用器（MUXCY）也可以用于級(jí)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)廣泛的邏輯功能。

CARRY4模塊

CARRY4原語(yǔ)實(shí)例化每個(gè)slice中可用的快速進(jìn)位邏輯。該原語(yǔ)與LUT結(jié)合使用以構(gòu)建加法器和乘法器。下圖顯示了CARRY4原語(yǔ)。綜合工具通常會(huì)從算術(shù)HDL代碼中推斷出此邏輯，從而自動(dòng)正確連接此功能。

端口信號(hào)

1）總輸出-O [3：0] 總和輸出提供加/減的最終結(jié)果。它們連接到slice AMUX / BMUX / CMUX / DMUX輸出。

2）進(jìn)位輸出-CO [3：0] 進(jìn)位輸出提供每個(gè)位的進(jìn)位。CO [3]等效于COUT。如果通過(guò)COUT將CO [3]連接到另一個(gè)CARRY4原語(yǔ)的CI輸入，則可以創(chuàng)建更長(zhǎng)的進(jìn)位鏈，并且專用路由將進(jìn)位鏈連接到一排片上。

3）進(jìn)位輸出還可以選擇連接至sliceAMUX / BMUX / CMUX / DMUX輸出。

三、CARRY4結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)快速超前加法的原理

CARRY4的原理過(guò)程:

1)端口S[3:0]是要求數(shù)據(jù)的異或輸入；

2)端口DI[3:0]是數(shù)據(jù)的輸入（a,b都可以），通過(guò)選擇器判斷是否是進(jìn)位標(biāo)志；

3)MUXCY選擇器作為向下一級(jí)輸出標(biāo)志的選擇端口；

對(duì)于一個(gè)全加器

具體的原理可以參考之前的一篇博客: 數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)(四) 加法器-半加器、全加器與超前進(jìn)位加法器

基本的進(jìn)位標(biāo)志和輸出如下。

對(duì)于CARRY4，端口S端其實(shí)是已經(jīng)做過(guò)亦或處理的輸入了。

即：

S=a@b //(@表示異或)

端口D可以任選a、b輸入當(dāng)中的一個(gè)，如選擇b

輸出端：

那么O端即表示輸出端：O = S@cin = a@b@cin

進(jìn)位端：

CO=(a@b)'b +(a@b)cin //利用多路復(fù)用器：y=s’b+scin

=(a’b+ab’)‘b+(a@b)cin

=(a’b)’(ab’)‘b+(a@b)cin

=(a+b’)(a’+b)b+(a@b)cin

=(ab+b’b)(a’+b)+(a@b)cin

=ab(a’+b)+(a@b)cin

=(a@b)cin+ab

所以此CARRY4結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速超前進(jìn)位加法器。