Xilinx A7 晶片內部結構分析（1）-- CLB
一直以來，覺得自己關於FPGA方面，摸不到“低”——對底層架構認識不清，夠不著“高”——沒真正獨立做過NB的應用，如高速、複雜協議或演算法、神經網路加速等高大上的應用，所以能力和認識水平都處於中間水平。這段時間做時序優化，感覺心有餘而力不足了，可能要觸及手動佈局佈線了，開啟Device佈局圖才開始有興趣探究一些底層結構的東西。
可能翻開任何一本有關FPGA的書籍，上來就會介紹FPGA的歷史，原理，內部結構什麼的，大部分人看著都極其枯燥，常常要麼直接略過，要麼就看一遍，久了也就忘記了（部分靠翻譯文件的書作者該好好反思）。我硬著頭皮去彌補之前缺失的一些基礎知識，結合Xilinx A7 晶片，總結一下自己的收穫。
1. 總覽
平臺：Vivado
晶片：XC7A200
FPGA主要有六部分組成：可程式設計輸入輸出單元、可程式設計邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入塊狀RAM、佈線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬體模組。其中最為主要的是可程式設計輸出輸出單元、可程式設計邏輯單元和佈線資源。
2. 可配置邏輯單元
可配置邏輯單元（Configurable Logic Block，CLB）在FPGA中最為豐富，由兩個SLICE組成。由於SLICE有SLICEL（L：Logic）和SLICEM（M：Memory）之分，因此CLB可分為CLBLL和CLBLM兩類。
點選內部的邏輯單元，通過陰影區別包含的範圍，你可以清晰的看到結構劃分的層級。在旁邊視窗可以清晰的看到選中部分的屬性（Properties）。
來，再放大，放大到一個SLICEL，如下圖所示。
SLICEL和SLICEM內部都包含4個6輸入查詢表（Look-Up-Table，LUT6）、3個數據選擇器（MUX）、1個進位鏈（Carry Chain）和8個觸發器（Flip-Flop），下面分部分介紹的時候，時不時可以再回頭看這張結構圖。
2.1 LUT6
雖然SLICEL和SLICEM的結構組成一樣，但兩者更細化的結構上略有不同，區別在於LUT6上（如下圖所示），從而導致LUT6的功能有所不同（如下表格所示）。
| LUT功能 | SLICEL | SLICEM |
|---|---|---|
| 邏輯函式發生器 | v | v |
| ROM | v | v |
| 分散式RAM | v | |
| 移位暫存器 | v |
上邊的功能可以看到，不論是SLICEL還是SLICEM，他們的LUT6都可以作為ROM使用，配置為64x1（佔用1個LUT6，64代表深度，1代表寬度）、128x1（佔用2個LUT6）和256（佔用4個LUT6）的ROM。
另外既然SLICEM中的M代表memory的意思，所以增加了更多儲存功能。可以配置為RAM，尤其指分散式RAM。其中RAM的寫操作為同步，而讀操作是非同步的，即與時鐘訊號無關。如果要實現同步讀操作，則要額外佔用一個觸發器，從而增加了意識時鐘的延遲（Latency），但提升了系統的效能。這就解釋了為什麼我們實現RAM同步讀寫的時候，讀出輸出要延遲一個clk。一個LUT6可配置64x1的RAM，當RAM的深度大於64時，會佔用額外的MUX（F7AMUX，F7BMUX，F8MUX，即一個SLICE中的那3個MUX）。
SLICEM中的LUT還可以配置為移位暫存器，每個LUT6可實現深度為32的移位暫存器，且同一個SLICEM中的LUT6（4個）可級聯實現128深度的移位暫存器。
2.2 MUX
SLICE中的三個MUX（Multiplexer：F7AMUX，F7BMUX和F8MUX）可以和LUT6聯合共同實現更大的MUX。事實上，一個LUT6可實現4選1的MUX。
SLICE中的F7MUX（F7AMUX和F7BMUX）的輸入資料來自於相鄰的兩個LUT6的O6埠。
一個F7MUX和相鄰的兩個LUT6可實現一個8選1的MUX。因此，一個SLICE可實現2個8選1的MUX。
4個LUT6、F7AMUX、F7BMUX和F8MUX可實現一個16選1的MUX。因此，一個SLICE可實現一個16選1的MUX。
2.3 進位鏈（Carry Chain）
進位鏈用於實現加法和減法執行。就是結構圖中，中間那個大的部分，可以看到它內部實際還包含4個MUX和4個2輸入異或門（XOR）。
異或運算是加法運算中必不可少的運算。
2.4 觸發器
每個SLICE中有8個觸發器。這個8個觸發器可分為兩大類：4個只能配置為邊沿敏感的D觸發器（Flip-Flop）和4個即可配置為邊沿敏感的D觸發器又可配置為電平敏感的鎖存器（Flop&Latch）。當後者被用作鎖存器的時候，前者將無法使用。
當這8個觸發器都用作D觸發器時，他們的控制埠包括使能端CE、置位/復位埠S/R和時鐘埠CLK是對應共享的，也就是就是說共用的。{CE,S/R,CLK}稱為觸發器的控制集。顯然，在具體的設計中，控制集種類越少越好，這樣可以提高觸發器的利用率。那麼怎樣減少控制集種類呢？我的理解是：
- 減少時鐘種類，即頻率越少越好；
- 統一規範的設計邏輯，如復位。
S/R埠可配置為同步/非同步置位或同步/非同步復位，且高有效，因此可形成4種D觸發器，如下表所示。
| 原語（Primitive） | 功能描述 | 原語（Primitive） | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| FDCE | 同步使能，非同步復位 | FDRE | 同步使能，同步復位 |
| FDPE | 同步使能，非同步置位 | FDSE | 同步使能，同步置位 |
在我們的常規設計中，FDCE和FDPE佔了絕大多數。
說到高有效，讓我想起了一個大家習以為常，但很少深究的問題：為什麼一開始接觸FPGA的時候，都告訴我們低電平復位？後來查了一些資料，有說從功耗、噪聲可靠性方面考慮等等，但是偶然看到Xilinx和Altera兩家晶片的觸發器不一樣！如下圖所示，Xilinx的觸發器是高電平復位，而Altera的觸發器時低電平復位。所以這也是需要考慮的一點嗎？
參考文獻：
- 《7 Series FPGAs Configurable Logic Block》（UG474）
- 《VIVADO從此開始》——高亞軍著（強烈推薦此書！！！！本部落格論述部分大多來自高老師的書）