关于FPGA底层资源的细节问题

       这篇博客，我们来回归FPGA设计的最中心问题即对底层资源使用的细节性问题，在FPGA设计中经常会采用存储、计算，再存储、再计算等类似的设计理念，而这也会很好地映射在FPGA内部架构上，即映射在对应的存储单元Block RAM、可配置逻辑单元LUT、基本逻辑单元LATCH和FF、计算单元DSP48E1等，博客的最后将重点分析Xilinx 7系列的FPGA底层重要单元，从而印证底层资源对FPGA项目工程的系统性能起到决定性作用，帮助大家建立一个整体性的概念，这也将对未来的成长提高有着深远的意义。

      下面笔者用最通俗易懂的语言为大家逐一详细地介绍这四大类FPGA底层资源，在系统学习实践了前面小节的知识，这时再回归底层资源才会有更准确地理解，相反地如果刚开始就一股脑地翻阅各类FPGA书籍陷入各种底层资源分配的困扰，那么在学习路线上就本末倒置了，这就好比学习STM32的时候先去对着手册把各个寄存器说明从头看到尾，但到最后仍然离熟练应用相差很远，甚至都不知道STM32要干什么，因为在学习路线上一开始就走错了，所以导致很难入门和深入提高。

      但是如果沉淀了一定的代码量和项目经验，这时候再回过头带着问题去看底层资源的问题，那么不管是FPGA也好，STM32也好，相信朋友们一定会收获到很多，例如FPGA方面，通过这篇博客的介绍，大家明白了底层资源是这么一回事，我们写的Verilog硬件描述语言映射到了哪些底层逻辑资源，这样就建立起了一个整体性的概念，对于以后的研发工作大有裨益。类似的对于STM32，大家在积累了一定的工作经验，再带着问题去看底层寄存器，堆栈等相关知识，对于深入理解STM32就会有很大的帮助，同时在排查程序问题的时候会非常便利。

       随着科技的发展，现在的芯片厂商为了方便用户快速二次开发，上层的生态系统做得都非常用心，比如Xilinx推出的Vivado开发环境真的很人性化，开发工具就帮助用户把Verilog硬件描述语言层层编译，最后映射到底层逻辑资源上，还给出了各种时序报告、器件资源使用报告等，类似的ST公司推出了hal库也为用户的二次开发提供了很大的便利，这就是说一方面芯片厂家本身提供的开发环境、固件库等帮助用户做了很多底层要做的事情，但另一方面如果用户有了一定的项目积累再去了解这些细节，那么这时候选择回归了底层，将会很好地建立一个整体开发的概念。

一、可配置逻辑单元LUT

       说到LUT(Look-Up-Table)，可能大多数FPGAer的第一反应即它只是一个RAM查找表，这可能就是很多FPGA教科书给大家带来的刻板印象，LUT可以说是FPGA器件内最为丰富也最为重要的底层资源，以至于各大FPGA芯片厂家也经常将它作为衡量芯片容量的关键性指标，大部分情况下LUT作为逻辑函数发生器以实现逻辑运算，通俗地说LUT这时候可以被看成真值表，即每当输入一个信号就等于输入一个地址，然后需要对该地址进行查表后，再输出该地址所对应的内容。

       举个例子，例如Xilinx 7系列FPGA器件都使用了6输入的LUT，所以可以把它看成一个有6位地址线的RAM，每当用户通过Verilog硬件描述语言描述一个逻辑电路后，FPGA的开发环境都会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把结果作为真值表先写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算对于FPGA器件来说就等于对输入的地址进行查表，再把查表后对应的内容输出即可，这也就对应了FPGA里组合逻辑电路的实现。

       Xilinx 7系列FPGA里的可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）中包含了两类CLB，即CLBLL和CLBLM，两者的区别在于CLBLL包含了两个SLICEL（L指的是Logic），而CLBLM包含了一个SLICEL和一个SLICEM（M指的是Memory），SLICEL和SLICEM中均有4个LUT6、数据选择器、进位逻辑和8个触发器构成，这也对应了一个可配置逻辑块CLB中的资源量，如图14-9所示是SLICEL和SLICEM的宏观架构，而SLICEL和SLICEM的区别主要体现在LUT的功能上，如表14-2所示，是两者内部LUT的功能对比，可以看到SLICEM内部的LUT不仅仅具备LUT最基本的功能即用作逻辑函数发生器，也可以配置成分布式ROM、RAM以及移位寄存器等。

表1 SLICEL和SLICEM中LUT的功能

图1 SLICEL和SLICEM的宏观架构

       Xilinx 7系列FPGA器件中，SLICEM中的1个LUT6可以配置成1个64bit的分布式RAM，那么1个CLBLM中的4个LUT6就可以配置成1个256bit的分布式RAM，并且这个分布式RAM可以是单口RAM，也可以是双口RAM。同样的道理，SLICEM或SLICEL中的LUT6也可以配置成1个256bit的ROM表，对比前面小节介绍的用Block RAM配置生成RAM、ROM等IP核，当数据规模较小的时候，用LUT配置Distributed分布式RAM相比Block块RAM具有更大的优势，更节约FPGA器件的内部资源，因为Block RAM即BRAM资源必须是整块整块使用的。

       最后在Xilinx 7系列FPGA器件中，1个LUT6也可以配置成1个32bit的移位寄存器，如图14-10所示，在这里可以实现1-32个时钟周期的延迟，即实现了SHIFT RAM移位寄存器的效果，这里A[4:0]作为输入端口，当其值为0时，对应了1个时钟周期的延迟，当其值为31时，对应了32个时钟周期的延迟，这里也有点类似于FIFO的功能，所以Xilinx 7系列FPGA器件中，可以使用Block RAM的方式也可以使用LUT的方式配置。

        移位寄存器本质上来说就是一种数据延迟的实现，Xilinx提供了专门的IP核实现，即前面小节所介绍的SHIFT RAM，专门用于生成移位寄存器，相比于纯LUT实现，SHIFT RAM做了更多的内部资源优化。

 图2 SLICEM中的LUT6配置成移位寄存器

二、基本逻辑单元LATCH和FF

    介绍完FPGA器件最关键的可配置逻辑单元LUT后，就不得不说LATCH和FF了，LATCH即锁存器，它是电平触发的存储单元，数据存储的动作主要取决于锁存信号的电平值，同时如果if 语言或者cace语言不完整的话，也都会被开发环境最后综合推断出latch，从而导致系统具有不稳定性。

     FF( Flip Flop)即触发器，其中DFF也就是众所周知的D类触发器，如图3所示是D触发器的示意图，因为它是边沿触发的，所以被归为时序逻辑，实际上说到底，锁存器也好，D触发器也好，它们的逻辑功能都是非常相似的，都有着暂存数据的功能，只是锁存器是电平敏感，而D触发器是边沿敏感，FPGA器件中D触发器的资源远远多于锁存器的资源，同时因为锁存器无法滤除毛刺，这就使得后期在做复杂项目工程时，时序分析更加困难，所以在FPGA设计当中应该尽量避免锁存器。

图3 D触发器的示意图

三、存储单元Block RAM

      Block RAM即BRAM在FPGA设计当中扮演了一个重要角色即数据存储或者数据缓存，同时作为存储器，其类型可以是单口RAM，真双口RAM、单口ROM、双口ROM等，另外Block RAM也可以配置成FIFO使用。

        在Xilinx 7系列FPGA器件中每个BRAM块都达到了36Kb的大小，它是由两个18Kb的BRAM拼接到一起得到的，这里每个36Kb的BRAM均可以当成一个独立的36Kb BRAM或者FIFO使用，也可以当成两个独立的18Kb的BRAM使用，或者当成一个18Kb的BRAM和一个18Kb的FIFO使用，如图4所示是36Kb的BRAM可以配置类型。

图4 36Kb BRAM的可配置类型

       目前，Xilinx的主流中高端FPGA芯片里，在储存器方面，36Kb的BRAM已经成为了主流，其中BRAM在FPGA程序设计中也有很多经典的应用方式，例如：1.把BRAM配置成一个双口RAM或者两个独立的单口RAM；2.使用BRAM来实现数据的延迟，虽然在Xilinx 7系列的FPGA芯片上使用CLB中的LUT都可以实现数据延迟效果，但对于大位宽，深延迟等应用领域，使用整块的BRAM资源无疑是最好的选择；3.把BRAM配置成双口ROM优化数据存储；4.使用BRAM资源实现复杂的状态机或者计数器设计；5.将BRAM配置成ROM，再把其当成一个大型LUT资源，从而完成逻辑运算的查表法实现。

四、计算单元DSP48E1

      乘法运算是数字信号处理、人工智能实现等应用领域最广泛的基本运算，所以乘法器在FPGA设计中就有了非常重要的意义，Xilinx公司也随着芯片的迭代更新，从最初植入芯片的18*18嵌入式乘法器，到具有更多的DSP48模块，再到后续的DSP48E模块，最后Xilinx 7系列FPGA器件中植入了功能更加趋于完善的DSP48E1模块。

       当然如果把整个芯片跟新迭代的进程，以及DSP48E1所有应用场景都逐一列举出来，那可能写好几节内容都无法描述清楚，也完全没有那个必要，所以在这里只做简要介绍，使大家对其有个整体性的了解即可，如图5所示是DSP48E1的基本结构，其中带“*”的信号代表该信号是级联信号，有专门的布线资源，观察下图可以看出DSP48E1可以划分为5个部分即：对外端口、预加器、乘法器、逻辑运算单元和模式检测电路。

      DSP48E1的详细说明可以参考Xilinx 的官方手册ug479_7Series_DSP48E1，但是需要重点说明的是DSP48E1不仅仅是乘法器，使用Verilog硬件描述语言时，涉及到乘法、乘加、乘减和乘累加运算会被Vivado环境层层编译，最后自动映射到DSP48E1资源上，而通常的加法、减法和累加运算默认情况下会用常规资源实现。

 图5 DSP48E1的基本结构

      DSP48E1在Xilinx 7系列FPGA器件上通常有三大类应用，典型的有：1.DSP48E1可以用在逻辑运算上，其中包括了基本逻辑运算、计数器实现、数据选择器MUX实现等；2.DSP48E1可以用来做基本的数学运算，其中包括了有符号数乘法运算、有符号数加法运算、有符号数加减法运算动态切换、乘加运算和乘减运算（P=C+A*B和P=C-A*B的运算形式）、取绝对值运算等；3. DSP48E1也可以用在高级数学运算方面，例如累加运算、乘累加运算、复数乘法运算（（a+bj）x(c+dj)=(ac-bd)+ (ad+bc)j等的运算形式）。

      如图6所示是DSP48E1的结构简图，通过这个简图，大家可以大概了解到为什么DSP48E1实现这么多种类的数学以及逻辑运算。

     1处是一个预加器，它主要实现的是最大位宽是30的A端口与最大位宽是25的D端口的相加运算，做预加运算的时候，此处会输出最大位宽是25的结果，这个预加器不用的时候可以旁路省略。

     2处是一个25x18乘法器，它的两个乘数分别是最大位宽是18位的B端口，以及A端口与D端口相加后结果的低25位，输出的结果为48，同样的这个乘法器不用的时候可以旁路省略。

    3处是一个的功能比较多。它能做加减法器，累加减法器，逻辑运算等。

    4处是一个模式探测器，这里主要是实现了上下溢出的检测，具有计数到一定值的时候对结果进行重置功能。

     5处是一个数据选择器，它的两个数据输入端口为C端口和P端口，所以DSP48E1可以实现普通加法还是做累加运算。当然DSP48E1里面有很多数据选择器，它们与DSP48E1所实现的功能密切相关，这里笔者不展开过度说明了，有兴趣的朋友们可以参考官方手册做进一步的研究。

 图6 DSP48E1的结构简图