FPGA原理与结构（1）——可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）

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一、什么是CLB

1、CLB简介      

        可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）是xilinx系类FPGA的基本逻辑单元（在各系列中CLB可能有所不同，以下我们主要讨论Xilinx 7系类），是实现时序逻辑电路和组合逻辑电路的主要逻辑资源。

2、CLB的组成

        一般来说，EDA完成综合时会自动分配CLB资源，而不需要系统设计者的干预。对于设计者来说，理解某些CLB细节是有利的，包括查找表（LUTs）的不同功能、进位的物理方向、可用触发器的数量和分布，以及移位寄存器的可使用情况等。

        每个CLB可以被划分成两个Slice，并引出逻辑连线至开关矩阵（Switch Matrix，作为布线资源），同时还包含着算术进位逻辑的功能（CIN,COUT，进位输入和输出）。如下图所示：

        由于Slice有SliceL(Logic)和SliceM(Memory)之分，因此CLB可分为CLBLL和CLBLM两类。

        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）。

        接下来我们打开vivado,选择一个7系类的device来直观的感受一下CLB的构成，以下为zynq7000系类的device视图：

        我们逐渐放大途中光标坐在位置：

可以看到这就是我们的一个CLB，在xilinx 7系类中有若干个这样的CLB单元。进一步放大可以看到CLB的具体组成结构：

在这里我们可以清楚地看到，一个CLB由左右两个slice构成，每个slice中包含有4个6-input的LUT ，3个数据选择器（MUX），一个进位链（Carry Chain）和8个触发器（Flip-Flop）。

3、SLICEM与SLICEL的区别

        首先我们继续从device的角度直观观察两者的区别，下图为SLICEM的视图展示：       

         下图为SLICEL的视图展示:

        可以看到从视图上明显的区别就在于两者的LUT有所不同，我们对两者的LUT进一步放大进行观察：

         左侧是SliceM对应的LUT视图，右侧为SliceL对应的LUT视图。

         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。

        在上图中，CLB由一个SLICEM和一个SLICEL组成，在实际情况中，一个CLB也有可能是由2个SLICEL组成。但是不会由2个SLICEM组成。

        大部分情况下，FPGA中SLICEL和SLICEM的数量比例为SLICEL:SLICEM = 2:1。

4、官方推荐的设计流程

        我们学习硬件底层有时候最终还是为了优化我们的代码设计，基于此官方在手册中也给出了几条推荐的HDL设计：

（1）CLB中的触发器有一个置位（set）和一个复位(reset),设计者禁止同时使用这两者。

（2）硬件中有着大量的触发器，所以推荐使用流水线的方式来提高效率。

（3）控制类输入信号在一个slice或者CLB中是被共享的，所以设计中的唯一控制类输入信号的数量应该减少。控制类输入信号包括时钟信号，时钟使能信号，使能信号，置位/复位信号。

（4）6输入LUT可以被设计成32位移位寄存器来提高布线效率。

（5）6输入LUT 可以被设计成64*1的DRAM来完成小规模存储需求。

（6）专用进位逻辑有效地实现了算术函数。

二、CLB在FPGA中的分布

        CLB在xilinx 7系类FPGA中按列分布，7系列是基于ASMBL体系结构提供的独特柱状方法的第四代。

ASMBL 架构:

        Xilinx创建了高级硅模块（Advanced Silicon Modular Block，ASMBL）体系结构，使FPGA平台具有针对不同应用领域优化的不同功能组合。下图提供了基于列的不同类型的资源描述。

         ASMBL通过使用独特的基于列的结构，实现了支持多专门领域应用平台的概念。每列代表一个专门功能的硅子系统，如逻辑资源，存储器，I/O，DSP处理，硬核IP和混合信号等。xilinx公司通过组合不同的功能列，组装成面向特定应用类别的专门FPGA（与专用不同，专门是指一项单一的应用）。典型的有逻辑密集型、存储密集型和处理器密集型等。例如，用与图像处理的处理器密集型芯片可能就包含有比较多的DSP功能列。

        ASMBL架构具体优势不是本文的重点内容，这里不做详细的展开，简单说就是（1）解决基于应用领域的设计问题（2）解决在传统ASIC和FPGA设计中都存在的一些技术约束问题。

        说了这么多，其实对于本文来说，只需要了解CLB在xilinx 7系类FPGA中根据ASMBL架构按列排布即可。

三、CLB Slices概述

1、Slice的分布排列        

        前文我们已经提到过一个CLB由两个Slice构成，一个Slice中有4个6输入的查找表LUT,8个触发器FF。在之前我们在vivado中通过device直接观察时感觉似乎Slice之间是一左一右对称的形式存在的，但是在实际的硬件中却有所不同（device里只是示意图）：

        Slice(0):CLB的左下角

        Slice(1):CLB的右上角

     这两个slice相互之间没有直接的连接，每个slice都在一个单独的列里（从ASMBL架构图中体现地很明显） ，并且每个slice具有独立的进位链。具体地排列可以参见下图：

2、Slice的内部结构

             我们都知道了Slice根据其LUT的不同可以分为SliceM(memory)和SliceL（logic）。

（1）SliceM的结构组成：

（2）SliceL的结构组成：

         具体的内部连接看不同没关系，但是在这个阶段我们应该能够分辨上图中的各个模块，包括哪些是LUT,MUX,carry chain和FF。至于关于这些模块的具体细节，我们接着往下看。

四、查找表Look-Up Table (LUT)

        LUT是CLB的重要组成部分，其本质就是一个RAM，用来实现数字电路中逻辑门的功能，把输入映射成存储地址，再输出对应地址（输入）内存储的值作为输出来实现所需的逻辑功能。7系类的FPGA中使用6-LUT，它通过2个5-LUT组成，也可以通过其他逻辑器件实现7/8输入。 

        关于LUT的详细内容，请阅读：FPGA原理与结构——查找表LUT（Look_Up_Table）

        我们知道slice有SLICEM和SLICEL两种，其区别就在于他们的LUT不同，SLICEM的LUT既可以读，又可以写；SLICEL的LUT只能读。由于SLICEM的LUT具有可以读写的特性，他还可以被配置成DRAM或者移位寄存器来使用。

        关于DRAM的内容，请阅读：FPGA原理与结构——分布式RAM（Distributed RAM,DRAM）

        关于移位寄存器的详细内容，请阅读：FPGA原理与结构——移位寄存器（Shift Registers）

五、存储单元Storage Elements

        在CLB中主要有2种类型的存储单元，一种只能被配置成触发器（FF），另一种既可以被配置成触发器（FF），也可以被配置成锁存器（Latch）,然后他们根据复位方式的不同，复位后输出结果的不同可以被配置成不同类型的触发器/锁存器。

        关于存储单元的详细内容，请阅读：FPGA原理与结构——存储单元（Storage Elements）

六、数据选择器MUX（Multiplexers）

        数据选择器是一个多输入，单输出的组合逻辑器件，在每个slice中有一个F7BMUX和一个F7AMUX，这两个MUX将两个lut的输出组合起来，形成一个多达13个输入（或一个8：1的MUX）的组合函数。在一个slice中最多最多可以部署两个MUX8。每个slice还就有一个F8MUX，它可以把F7AMUX和F7BMUX的输出作为自己的输入，形成一个多达27个输入（或一个16：1的MUX）的组合函数。一个slice中最多只能部署一个MUX16。

        关于MUX的详细内容，请阅读：FPGA原理与结构——数据选择器MUX（Multiplexers）

七、进位链（CARRY4）

        进位逻辑在FPGA中有着非常广泛的应用，其功能主要是实现二进制的加减法运算。在7系列的FPGA中，一个CLB中有两个Slice，一个Slice中包含4个LUT6、3个数据选择器MUX、1个独立进位链（Carry4，Ultrascale是Carry8）和8个触发器。这里我们谈论Carry4。在CLB中，除了函数发生器之外，还提供了专用的快速超前进位逻辑，以slice中执行快速算术加法和减法， 进位链还可级联以形成更宽的加/减逻辑。

        关于进位链的详细内容，请阅读：FPGA原理与结构——进位链CARRY