FPGA LE（转）

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1.3.1  可编程逻辑单元（LE）

图1.12所示是一个典型的LE的结构图。LE包括3个主要部分：查找表（LUT）、进位逻辑和输出寄存器逻辑。

 

图1.12  典型的LE的结构图

其中，FPGA用查找表（LUT）替代了CPLD中的乘积项阵列，它是FPGA中组合逻辑输出乘积和的关键。大部分器件使用4输入LUT，而有些器件提供输入数量更大的LUT，以建立更复杂的功能。LUT由一系列级联复用器构成，如图1.13所示。

 

图1.13  查找表（LUT）结构示意图

复用器输入可以被设置为高或者低逻辑电平。逻辑之所以被称为查找表，是因为通过"查找"正确的编程级来选择输出，并根据LUT输入信号通过复用器将输出送到正确的地方。

LUT本质上就是一个RAM。对于4输入的LUT，每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

注意：相对于CPLD宏单元，产生LUT输出可能需要更多的逻辑级。但是，它能够灵活地建立函数和LE链，从而提高了性能，有助于减少资源的浪费。

LE的同步部分来自可编程寄存器，非常灵活，通常由全局器件时钟来驱动它，而任何时钟域都可以驱动任何LE。寄存器的异步控制信号，如清位、复位或者预设等，都可以由其他逻辑产生，也可以来自I/O引脚。

寄存器输出通过LE后驱动至器件布线通道，还可以反馈回LUT。可以把寄存器旁路，产生严格的组合逻辑功能，也可以完全旁路LUT，只使用寄存器用于存储或者同步。这种灵活的LE输出级使其非常适合所有类型的逻辑操作。

FPGA LE含有专门的进位逻辑和LAB中的寄存器链布线，为这些信号提供最短链接。进位比特可以来自LAB中的其他LE，也可以来自器件中的其他LAB。产生的进位比特可以输出到其他LE，或者器件互连中。

LAB中的LUT和进位逻辑可以被完全旁路，链接LAB中的所有LE寄存器，把它们变成移位寄存器，这适合DSP工作。和CPLD相比，进位逻辑和寄存器链布线的通用性进一步提高了性能，增强了对资源的管理。

注意：由于LUT和寄存器都能够输出至器件中的任一位置，不论是位于相同的LAB中，还是通过器件的布线通道。因此，FPGA LE可以配置完成寄存器封装功能。采用寄存器封装，一个LE可以输出两路不同的函数，一路来自LUT和进位链逻辑，另一路来自输出寄存器。只使用模块的组合逻辑部分，完全不相关的寄存器函数可以封装到一个LE中。因此，这有助于节省器件资源。

目前为止，所讨论的FPGA LE的确要比CPLD宏单元在设计上更加灵活，但还是需要LE级联和反馈才能产生具有较多输入的函数。为解决这个问题，一些高级FPGA使用自适应逻辑模块（ALM）。ALM和LE相似，但有一些重要优势。

首先，ALM包括两个输出寄存器，为逻辑链和寄存器封装提供更多的选项，在一个逻辑模块中生成多个函数。ALM还具有内置硬件加法器模块。ALM中的加法器是专用资源，完成标准算术操作，不需要在LUT或者在DSP中生成这些数学函数。这提高了数学性能，简化了LUT逻辑。

ALM中的LUT和LE的主要不同点是ALM中的LUT是自适应LUT，即ALUT。ALUT与LUT相似，但可以对它进行划分，配置为大小不同的LUT，以适应两种类型不同的函数，包括最简单到非常复杂的函数。所有8个输入都可以用于完成复杂算术函数，而ALUT可以按照不同的方式来进行划分，实现简单函数。

例如，两个LUT，一个是3输入，一个是5输入。还可以划分ALUT以支持更复杂的7输入函数，其额外的输入用于寄存器封装。分成两个4输入LUT，使ALUT后向兼容标准LE中的4输入LUT技术。最后，如果两个函数之间可以共享输入，还能够进行其他方式的划分。基于ALM的FPGA使用较少的资源和智能资源管理技术，大大提高了逻辑工作的性能。