FPGA从入门到精通(6) - 存储单元&CLB总结

所使用EDA软件：VIVADO2019.1.3

FPGA型号：xc7a35tcsg325-2

看完这篇文章你将收获以下内容：

理解XILINX中存储单元的结构

结合前面章节，理解CLB的整体结构

      在数字电路中存储单元有两种，一种是触发器，一种是锁存器。它们两者最大的区别是

前者通过时钟沿到来改变存储的输出状态，后者是通过电平变换来改变存储的输出状态。

      在FPGA中我们用的还是触发器居多，锁存器在很多情况下都是要避免的所以今天我主要还是讲触发器。

      首先简单说明触发器特性(图1)：在下一次时钟沿来临前，输出Q保持不变。当有时钟沿触发时，将输入D的电平转移到输出Q。

图1：触发器示意图

      这里的电平转移指的是当输入高过一定阈值，输出就会输为高电平。输入低过一定阈值，输出就会输为低电平。讲人话，拿3.3VCMOS电平转移来说，当输入为2.1V（高过高电平阈值2.0V），输出就约等于3.3V。当输入为0.6V时（低过输入低电平阈值0.7V），输出就约等于0V。

     然而我在前面一直说的用LUT做成的移位寄存器转移的是电荷，转移电荷就是输入时2.1V输出就2.1V，输入0.6V输出就是0.6V。所以出现亚稳态（电平在高低之间），用LUT做出的移位寄存器会打拍的话无法降低亚稳态的影响，只会让它一直传递下去。

      XILINX 7系中的存储单元结构（图2），它主要分为两种，我们帮他们起个名字，在图2中绿色大框内的我们叫存储单元1，在图2红色大框内的我们把它叫做存储单元2。

图2：XILINX 7系存储单元结构

存储单元1和存储单元2，有以下几个异同点。

相同点：

他们都具有数据输入端（D），时钟使能端（CE）,时钟输入端（CK）,以及复位端（SR）。

它们都能通过配置INIT1 INIT0来将上电复位或全局复位后的初始电平配置为高或者低（这里用的是FPGA中的全局复位管脚，非用户自定义那个，属异步复位）。

它们都能通过配置SRHIGH SRLOW 来控制用户复位后的的电平，与输入SR的关系如（图3）所示，从中我们还可以看到SR都是高电平有效的，这也是为啥XILINX 7系推荐高电平复位，低电平复位的话再前面还要插个LUT做反相器而造成浪费资源。（这里的用户复位通常指的是普通IO复位，如自定义用户按键复位）

在同一SLICE中，同一类型的存储单元的用户复位均可配置为异步或者同步复位（图2中绿色小框与红色小框分别配置存储单元1与存储单元2的可选择的复位类型）。

图3：SR与SRLOW SRHIGH(SRVAL)的关系

下面我们通过个简单的例子（例1）来告诉加深大家对INIT0,INIT1,SRLOW,SRHIGH的印象。

我们初始化 reg[7:0]r_data_tmp=8b0 时就是为了配置INIT0（INIT1）

在always语句中的 r_data_tmp<=8b0时就是为了配置SRLOW(INIT2)

不同点:

存储单元1只能做触发器，而存储单元2既可做触发器又可以做锁存器。

存储单元1只能由外部旁路输入（不仅过LUT直接连到存储单元）以及所在行的LUT6的O5输出作为数据输入。存储单元2除了有存储单元1的特性以外，还可以由所在行的LUT6的O6输出、MUX7/MUX8的输出、进位链的输出作为输入。

注意事项：

存储单元的配置（同步，异步，复位后初始值等）确定后是无法通过外部输入无法修改的。

存储单元的数据输入通道也是无法中途修改的，因为它前面的MUX是没有数据选择端的，FPGA在运行时，这个MUX由哪一条通道作为输入是确认并且无法更改的。举个例子：存储单元2的输入为LUT的输出就一直为LUT的输出，无法改为外面的旁路输入或者进位链的输出作为输入。

接下来我们来总结一下前面几章有关CLB的内容。

      先祭出一开始让我们看到脑阔疼的SLICE的架构图（图4）。我们可以将它分为四行，每一行的内容都是相同的。LUT6->进位链->存储单元1/存储单元2

图4 XILINX 7系中SLICEM的架构图（SLICEL类似，只不过它的LUT6不具备读写功能）

蓝框和紫框分别是存储单元1，存储单元2。它们是时序电路中不可或缺的一部分，我们在verilog中每1位的reg几乎都会用到1个存储单元。这里存储单元的输入取决于它们前面的那个MUX。存储单元1有2种输入方式它前面的MUX就有2个数据输入端，存储单元2有5种输入方式，它前面的MUX就有5个数据输入端。

红框部分的LUT6，它内部由两个LUT5和1个MUX组成。1个LUT6可以实现6位输入1位输出的逻辑运算，也可以实现2个相同的5位输入2位输出的逻辑运算，还可以做MUX4_1。在SLICEM中的LUT6还可以做DRAM、移位寄存器实现数据读写，移位输出的功能。详细内容请参照前面的LUT、DRAM章节。

FPGA从入门到精通（2）-LUT

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FPGA从入门到精通（3）-DRAM

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橙框、黄框中的MUXF7、MUXF8是为了将LUT拼接起来实现更大数据深度的LUT，DRAM或者移位寄存器（MUX不会增加数据宽度哦，小伙伴们要注意！！！），详细内容请参照前面MUX的内容。

FPGA从入门到精通（4）-MUX

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绿框中的进位链主要是为了实现多位加法器的功能，它的最大长度（加法器的位宽）取决当前区域的列高。详细内容请参照前面的进位链的内容。

FPGA从入门到精通（5）-进位链

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接近输出端口的MUX（AMUX BMUX CMUX DMUX作为输出那个），它的特性其实是和存储单元2前面的那个MUX差不多的。仔细观察可以看到同一行的两种MUX 有5个端口的输入都是连在一起的，只不过一个是直接输出，另一个是打一拍再输出。剩下的1个端口，对于第一种MUX它是接存储单元1的输入的，对于第二种MUX它是直接接外部旁路输入的。（注意：两种MUX是没有数据选择端的，因此FPGA在运行时，由哪一条通道作为输入是确认并且无法更改的）

下面是SLICE在CLB中的排列（图5）

图5：SLICE在CLB中的排列

      我们可以看到，一个CLB中有两个SLICE。分别是在CLB的左下角和右上角，上一级SLICE进位链的输出是连到同一列中下一级SLICE的进位链的输入。那么SLICE和SLICE之间除了进位之外是怎么互联的呢？我们通过看一下例1布局布线后的的情况（图6）对其有个简单的认识。由于EDA工具布局布线策略的问题，没把2个8位的输入都布在同一CLB内。当然这可以通过手动布局来更改，偷偷懒就不讲怎么实现啦。

图6：例1布局布线后的视图

      红框内为同一CLB内的两个SLICE，虽然视图上他们是同一列，实际在FPGA是错开的，看X坐标就知道。橙色框是同一CLB内的快速互联（如果在同1CLB 就用它直连）。黄框 ，绿框内的互联单元我们把他当成为了把线连到更远处的“中继”，更多布局布线相关内容我会在后面讲约束的时候会提到。

      好的今天的内容就到这里，后面的话我会举个例子来给大家展现压榨单个CLB的快感，谢谢！

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