深入浅出FPGA内部资源CLB的解析

FPGA的基本组成单元： CLB资源等

详细介绍一下CLB可分为CLBLL和CLBLM两类， 这是单纯的以Xilinx旗下的FPGA的某一款为例，单纯的只是介绍个概念性的东西。SliceL和SliceM内部都包含4个6输入查找表（LUT6）、3个数据选择器（MUX）、1个进位链（Carry Chain）和8个触发器（Flip-Flop）。
SLICEM（M：Memory）：其内部的LUT可以读也可以写，可以实现移位寄存器和64bit的DRAM等存储功能，还可以实现基本的查找表逻辑。SLICEL（L：Logic）： 其内部的LUT只可以读，只能实现基本的查找表逻辑。

一.LUT的介绍

对于LUT而言，LUT 可以看作是一个小型的、单口的 RAM，其中地址线是输入信号，存储单元的内容是输出信号。例如，一个 4 输入的 LUT，可以被看作是一个有 16 个地址的 RAM，每个地址存储一个输出值。
假设有一个 4 输入的 LUT 实现一个逻辑函数 𝑓(𝑎,𝑏,𝑐,𝑑)。这意味着 LUT 有 16 个地址，每个地址对应一个 4 位输入的组合（𝑎,𝑏,𝑐,𝑑 作为地址线），每个地址存储一个输出值（0 或 1）。配置 LUT 就是初始化这 16 个存储单元的内容。

输入: a b c d	输出: f(a, b, c, d)
地址 0: 0 0 0 0	存储值: 0
地址 1: 0 0 0 1	存储值: 1
地址 2: 0 0 1 0	存储值: 1
地址 3: 0 0 1 1	存储值: 0
…
地址 15: 1 1 1 1	存储值: 1
LUT的组成问题
xilinx公司的7系类FPGA中使用的是6-LUT，每个LUT有六个独立的输入（A1-A6），两个独立的输出（O5-O6）。一个Slice中的四个LUT分别以A,B,C,D编号。从组成结构来说，一个6-LUT由两个5-LUT组成和一个数据选择器组成。

二.MUX的介绍

使用 LUT 实现 MUX
4:1 MUX 实现：
一个 4:1 MUX 有 4 个数据输入（D0, D1, D2, D3），2 个选择信号（S0, S1），以及 1 个输出（Y）。
一个 LUT6 有 6 个输入，因此可以直接实现一个 4:1 MUX：
4 个数据输入连到 LUT 的前 4 个输入端。
2 个选择信号连到 LUT 的后 2 个输入端。
LUT 的内容根据选择信号的不同组合，输出相应的数据输入
当选择信号大于 4 时（例如 MUX8）
8:1 MUX 实现：

• 一个 8:1 MUX 有 8 个数据输入（D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7），3 个选择信号（S0, S1, S2），以及 1 个输出（Y）。
• 因为一个 LUT6 只有 6 个输入，无法直接实现 8:1 MUX，需要使用两个 4:1 MUX 和一个 2:1 MUX 进行实现。

假设我们要在一个 Slice 中实现一个 16:1 MUX：

• 第一步：配置四个 LUT6 实现 4 个 4:1 MUX。
• 第二步：使用 F7AMUX 和 F7BMUX 将这四个 4:1 MUX 组合成两个 8:1 MUX。
• 第三步：使用 F8MUX 将两个 8:1 MUX 组合成一个 16:1 MUX。

三.进位逻辑链

只要记住是做运算的就行了

四.FF触发器

一个CLB由2个slice构成，其中每个slice就有8个存储单元。这8个存储单元还有所不同，其中的4个可以被配置成触发器（Flip-Flop，简写为 FF）或锁存器（Latch），其他4个则只能被配置成触发器（FF）。当配置为latch时，CLK为Low时latch是“透明”的，也就是我们之前提到的处于使能状态，相当于是缓冲器。值得注意的是，当那4个可以被配置成latch的存储单元被配置成latch时，剩下的4个（只能被配置成FF的）存储单元将不能被使用。

触发器（Flip-Flop）和寄存器（Register）在数字电路设计中是两个相关但不同的概念。虽然触发器和寄存器都用于存储数据，但它们的用途和结构有一些显著的区别。下面是对这两个概念的详细解释：

触发器（Flip-Flop）

特点：

1. 基本存储单元：触发器是最基本的时序存储单元，每个触发器可以存储1位数据。
2. 边沿触发：触发器通常是边沿触发的（上升沿或下降沿），这意味着它们在时钟信号的边沿变化时更新其状态。
3. 类型：
   D 触发器（D Flip-Flop）：存储数据输入的值。
   T 触发器（T Flip-Flop）：在时钟边沿时翻转输出状态。
   JK 触发器（JK Flip-Flop）：可以进行设置、清除和翻转操作。
   SR 触发器（SR Flip-Flop）：可以进行设置和清除操作。

示例（D 触发器的 Verilog 代码）：

module D_flip_flop (input wire clk,    // 时钟信号input wire d,      // 数据输入output reg q       // 数据输出
);always @(posedge clk) beginq <= d;        // 在时钟上升沿采样输入并更新输出end
endmodule

寄存器（Register）

特点：

1. 多位存储单元：寄存器是由多个触发器组成的，可以存储多位数据（例如8位、16位、32位等）。
2. 同步存储：寄存器中的所有触发器共享同一个时钟信号，因此寄存器在时钟边沿时同步更新其所有位的数据。
3. 用途广泛：寄存器广泛用于存储数据、地址、控制信号等，可以作为缓存、计数器、移位寄存器等。

示例（8位寄存器的 Verilog 代码）：

module Register (input wire clk,    // 时钟信号input wire [7:0] d, // 8位数据输入output reg [7:0] q  // 8位数据输出
);always @(posedge clk) beginq <= d;        // 在时钟上升沿同步更新所有位的数据end
endmodule

主要区别：

1. 存储位数：
   触发器：单个触发器存储1位数据。
   寄存器：寄存器可以存储多位数据，由多个触发器组成。

2. 结构复杂度：
   触发器：简单的存储单元。
   寄存器：复杂的存储单元，由多个触发器组成，常用于处理多位数据。

3. 用途：
   触发器：用于实现基本的时序逻辑和单个位的存储。
   寄存器：用于实现多位数据存储、数据缓存、计数器、移位寄存器等功能。

触发器和缓冲器（Buffer）

缓冲器（Buffer）在数字电路中是一个简单的电路元件，用于隔离或驱动信号。缓冲器不具有存储功能，只是简单地传输信号，并可以增强信号强度。缓冲器和触发器是不同的概念。

缓冲器的示例（Verilog 代码）：

module Buffer (input wire in,     // 输入信号output wire out    // 输出信号
);assign out = in;   // 直接传输输入信号到输出
endmodule

总结：

触发器（Flip-Flop） ：基本的时序存储单元，用于存储1位数据。
寄存器（Register） ：由多个触发器组成的多位存储单元，用于存储多位数据。
缓冲器（Buffer） ：用于隔离或驱动信号，不具有存储功能。

理解这些基本概念和区别，有助于在数字电路设计中选择合适的元件，从而实现所需的功能。