《Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）》连载20：可配置逻辑模块（CLB） 开发, 连载

5.1.1 可配置逻辑模块（CLB）
CLB是实现时序电路和组合电路的主要逻辑资源。
Virtex-6每个CLB模块里包含2个SLICE，每个CLB通过交换矩阵与外部通用逻辑阵列相连，如图5-2和图5-3所示。CLB中的两个SLICE之间没有直接连接。



图5-2 CLB 里的SLICE 排列



图5-3 CLB 的位置排列
在Virtex-6中，SLICE 分为SLICEX、SLICEL 和SLICEM 三种，SLICEX不具有存储功能，也没有进位链；SLICEL不具有存储功能，但包含进位链；SLICEM 具有存储/移位寄存器功能，也包含进位链。
每个SLICE包含4个LUT 和8个存储单元。这些基本单元能提供逻辑、算术和ROM功能。除了这些基本功能，还有一些SLICE具有分布式RAM和移位寄存器功能，这些SLICE又被称为SLICEM。
CLB 可以实现表5-1 所示功能。



表5-1 CLB的功能
SLICE结构图如图5-4（a）和图5-4（b）所示，每个SLICE包含逻辑函数发生器（即LUT）、存储元件、多功能多路复用器（MUXF）、进位逻辑和算法单元（MULT_AND）等资源。



（a）SLICEM



（b）SLICEL

图5-4 SLICE 内部简化结构图
一、 查找表（LUT）
Virtex-6 FPGA的函数发生器由6输入查找表实现。每个LUT有6个独立输入（A1-A6）和2个独立输出（O5 和O6），可以实现任意6 输入布尔函数。同时每个LUT 在相同的输入情况下，也可以实现2 个任意5 输入布尔函数。如果是6 输入函数，仅有O6 输出。
O5 和O6 分别对应两个5 输入函数发生器的输出，在这种情况下，A6 由软件设置为高电平。LUT 的延时与所实现的函数无关。
LUT 可以实现组合逻辑、ROM、分布式RAM、移位寄存器等功能。
(1) 组合逻辑：所有的LUT 可以实现任意6 输入布尔函数。
(2) ROM：所有的LUT 可以实现一个64×1 位ROM。有三种配置方式，分别是ROM64×1、ROM128×1 和ROM256×1。SLICEM 和SLICEL 中的ROM 可以级联成更宽或者更深的ROM，配置的表见表5-2。



表5-2 ROM 配置
(3) 分布式RAM存储器（只能在SLICEM中使用）：SLICEM中的LUT可以配置成一种称为分布式RAM的同步RAM。SLICEM中的多个LUT可以灵活组合起来，以存储更多数据。在SLICEM内可以将RAM元件配置成以下形式，RAM的配置见表5-3。



表5-3 分布式RAM的配置表
分布式RAM原语如表5-4所示。





表5-4 单口、双口和四口的分布式RAM的原语
(4) 移位寄存器（只能在SLICEM中使用）：SLICEM的LUT还可配置成32位移位寄存器，无需使用SLICE中提供的触发器。以这种方法使用的LUT可以将串行数据延迟1到32个时钟周期之间的任意长度。移位寄存器的移位输入SHIFTIN和移位输出SHITOUT用来将LUT级联成更大的移位寄存器，一个CLB里面的4个LUT可以级联，产生128个时钟周期的延时。CLB之间也可以连接组成移位寄存器，用于平衡数据流水线的时序。移位寄存器原语如图5-5所示。



图5-5 移位寄存器的原语
二、 存储元件
Virtex-6每个SLICE都有存储元件，可以实现存储功能，可以配置成边沿触发式的D型触发器或电平敏感型的锁存器，如图5-6所示。



图5-6 SLICE里寄存器/锁存器配置
三、 多路复用器（MUX）
在一个SLICE中，除了包含LUT外，还包含三个多路复用器（F7AMUX、F7BMUX和F8MUX），用户可以将4个函数发生器组合在一起，构成7输入或者8输入的函数。多于8个输入的函数，可以用多个SLICE实现。
多路复用器F7AMUX、F7BMUX和F8MUX通常和函数发生器或者片上逻辑一起实现多种多路复用器。可以实现以下几种多路复用器。
1个LUT实现4:1多路复用器2个LUT实现8:1多路复用器4个LUT实现16:1多路复用器四、 快速先行进位逻辑（Carry Logic）
Virtex-6每个CLB有2条独立的进位链，用于实现快速算术加减运算，它解决了多位宽加法、乘法从最低位向最高位进位的延时问题。先行进位逻辑有专用的进位通路和进位多路复用器（MUXCY），可用来级联函数发生器（LUT），以实现更宽更复杂的逻辑函数，提高CLB模块的处理速度。Virtex6中的进位链是上行进位链，每个SLICE具有4位的高度。考虑到进位链的上行结构特点，在设计中，要特别注意进位链的长度，因为如果当进位链的长度超出一列时，进位链会导致延时变长很多，影响时序。
五、 算术逻辑（MULT_AND）
算术逻辑包括一个异或门（XOR）和一个专用与门（MULT_AND），一个异或门可以使一个SLICE实现2位全加操作，专用与门提高乘法器的效率。