Xilinx-7系列之可配置逻辑块CLB

news2024/11/30 2:27:49

一、概览

二、CLB结构

三、Slice内部结构

3.1 SliceM结构

3.2 SliceL结构

3.3 查找表LUT

3.4 多路复用器

3.5 存储单元

3.6 进位逻辑

四、应用

4.1 分布式RAM

4.2 ROM(只读存储器)

4.3 Shift Registers（移位寄存器）

4.4 存储资源容量估算

五、参考资料

一、概览

二、CLB结构

可配置逻辑块CLB(Configure Logic Block)是实现组合逻辑和时序逻辑的主要资源，由一对Slice（片单元）组成，每一个CLB都是连接到了一个交换矩阵（Switch Matrix）中。

每个Slice资源包含4个6输入的LUT，8个FF以及MUX和Carry。Slice又可分为SliceL和SliceM两种类型，在7系列器件中，大约2/3的Slice为SliceL，其余为SliceM，两者区别是SliceM可配置为分布式RAM(Distribute RAM)和移位寄存器，SliceL则不行。

每个CLB都包含一对Slice，这对Slice可能都是SliceL或是一个SliceLSliceM。属于一个CLB中的SliecL和SliceM是独立的，无相互连接的线路，只有属于同一列的Slice之间才会通过进位链进行连接。每个Slice有一个坐标XcYr，r为slice的列序号，c为行序号，同一个CLB的slice行序号是相同的。

三、Slice内部结构

3.1 SliceM结构

3.2 SliceL结构

SliceM和SliceL的大体结构相同，唯一的区别在于SliceM中每个LUT6的输入多了一路DI，并且CE信号中多了WE控制，正是这一差异使得SliceM可以将LUT配置成移位寄存器和分布式RAM。

3.3 查找表LUT

7系列器件中，可用LUT（Look-Up Table）实现函数生成器，LUT为6输入的LUT6。在一个Slice中，每个LUT6可作为一个6输入的LUT6或是2个5输入的LUT5，也可以是2个小于5输入的LUT。

6输入的LUT6时，A1-A6为输入，O6为输出。作为2个5输入或更少输入的LUT时，A1-A5为输入，A6为高电平，O5和O6作为两个LUT的输出。

3.4 多路复用器

每个slice都包含3个多路复用器：F7AMUX,F7BMUX,F8MUX。F7AMUX,F7BMUX可将两个LUT6组合7输入的LUT7，F8MUX可将两个LUT7组合成8输入的LUT8。

1个LUT6可以实现4:1的选择器，2个LUT6可实现8:1的选择器，4个LUT6可实现16:1的选择器，以16:1的多路选择器为例，从每个LUT中选择2位D[1:0]作为选择位，其余4位D[3:0]作为数据选择输入位，4个LUT共16个选择输入位，结合F7AMUX，F7BMUX，F8MUX，选择位为4位，组合后即是有16种结果。

3.5 存储单元

CLB中信号存储是通过触发器实现，每个Slice中包含8个触发器，前面4个只能配置为边沿触发的D触发器，后面4个可配置为D触发器或电平触发的锁存器。当后面4个配置为锁存器时，前面4个FF将不能被使用。

在下图中，8个FF是共用SR，CE，CLK信号，两个FF中如果存在控制信号不同，则不能放置到同一个slice中。8个FF都可以配置为不使用置位，复位，同步置位，同步复位，异步置位，异步清零的FF。

8个FF中，前4个和后4个FF的D端口数据来源也不同，前者来自LUT6的O5输出，后者来自LUT6的O6输出。同时，也都可以来自外部Switch matrix，通过AX,BX,CX,DX进入

3.6 进位逻辑

Carry可以快速实现算术加减法运算，一个slice包含一条进位链，同一列的slice可以进行级联实现更多位的加减法逻辑。

四、应用

4.1 分布式RAM

前面的章节提到sliceM可以配置为分布式RAM，RAM是中随机存取数据的单元，根据地址可对RAM进行读写操作。分布式RAM指由LUT构成的RAM，除了分布式RAM，还有专用的BRAM单元，用于存储更多的数据，少量的数据建议用分布式RAM。

以器件xc7k480tffv1156-1为例，BRAM分布如下图红色小方块，按列分布。

分布式RAM根据规格大小以及端口类型可划分如下，规格中包含了RAM的深度和宽度，格式为深度x宽度+端口类型，端口类型包括单端口，双端口，四端口，简单双端口，原语即为设计时进行实例化时使用。

涉及到具体器件时会存在差异，具体可在Language Templates中搜索RAM查看LUTRAM

分布式RAM是同步写入，异步读取，在写使能信号WE为高电平时，并且处于时钟跳变沿时，数据写入到RAM中指定地址的空间中。数据读取则是异步操作，每次地址引脚的数据更新后，在经过LUT的时延后将指定地址的数据输出。

4.2 ROM(只读存储器)

CLB中SliceL和SliceM的单个LUT都可以实现64*1比特的ROM，因为包含4个LUT，当对4个LUT都进行配置时，可实现ROM256*1比特的ROM

4.3 Shift Registers（移位寄存器）

移位寄存器可用于延时补偿，实现同步FIFO，进行跨时钟域。CLB中的SliceM可以只使用LUT，不使用FF来配置成32比特的移位寄存器，单个LUT可实现数据1-32个时钟周期的延时。也可将一个SliceM中的4个LUT进行级联，可最大实现128个时钟周期的延时。若需更大的移位，可将SliceM级联。

使能信号CE与时钟同步，固定的在Q31中读取数据，LUT的最低有效为A[1]未被使用，工具将自动将其值设为1，A[6:2]为5位的地址，数据在Q（LUT6的O6）中进行输出。如果要进行同步读取数据，则将输出O6连接到一个FF中。移位寄存器不支持置位或复位，但在配置后可将其初始化为任何值。

4.4 存储资源容量估算

根据对实现分布式RAM，移位寄存器的实现可以根据器件的SliceM和FF资源数计算最大容量，一个LUT6可实现64bit的分布式RAM，一个SliceM可实现的容量为4*64bit=256bit，4个SliceM可实现4*256bit=2^10bi=1Kb。因此，SliceM的数量为分布式RAM容量的大小的4倍。

下表为Artix-7系列器件资源表，SliceM数量和分布式RAM数量关系基本符合4倍左右。