一、查找表

LUT就是查找表，對于4輸入的LUT而言，實際上就是4位地址位，一位數據位的存儲器，能夠存儲16位數據，所以我們在FPGA設計中可以用LUT組建分布式的RAM。

這樣也可以解釋我們在設計中為什么要采用流水線的實現方法

因為當輸入數據的位數遠大于一個LUT的輸入時，就需要用多個LUT級聯來實現邏輯，那么級聯產生的延時也就不可避免了，這樣就會制約系統的運行頻率。那么為了避免級聯數過于多，就采用插入寄存器的方法來實現。

舉一個簡單的例子，如果要實現一個6*1的mux可以用一個6輸入的LUT或者是2個4輸入的LUT來實現，6輸入的LUT相當于是6位地址線一位數據位，能夠存儲64bit的數據，而采用兩個4輸入的LUT的話，它的總容量大小為32位數據。

如果用6輸入的LUT實現4輸入LUT的功能，那么就浪費了1-16/64=75%的資源，所以采用少輸入的LUT可以更好的節省面積和資源，但是呢如果LUT采用的是2輸入的呢，那樣豈不是更好嗎，不是的，因為對于多輸入的信號處理的時候，就需要有多個LUT的級聯來實現，而級聯有不可避免的會導致延時過分，導致時序不滿足。因此在實際的FPGA產品中多采用的是4輸入或者6輸入的LUT。

圖 4輸入的LUT

CLB是xilinx基本邏輯單元，每個CLB包含兩個slices，每個slices由4個（A,B,C,D）6輸入LUT和8個寄存器組成（中間應該還有一些選擇器、與非門、或非門之類的東西）。放一個slices的內部圖

同一CLB中的兩片slices沒有直接的線路連接，分屬于兩個不同的列。每列擁有獨立的快速進位鏈資源。

slice分為兩種類型 SLICEL, SLICEM

（1）SLICEL可用于產生邏輯，算術，ROM。

（2）SLICEM除以上作用外還可配置成分布式RAM或32位的移位寄存器。每個CLB可包含兩個SLICEL或者一個SLICEL與一個SLICEM.

分布式RAM

SLICEM可以配置成分布式RAM，一個SLICEM可以配置成以下容量的RAM

多bit的情況需要增加相應倍數的LUT進行并聯。

分布式RAM和 BLOCK RAM的選擇遵循以下方法：

1. 小于或等于64bit容量的的都用分布式實現

2. 深度在64~128之間的，若無額外的block可用分布式RAM。要求異步讀取就使用分布式RAM。數據寬度大于16時用block ram.

3. 分布式RAM有比block ram更好的時序性能。分布式RAM在邏輯資源CLB中。而BLOCK RAM則在專門的存儲器列中，會產生較大的布線延遲，布局也受制約。

移位寄存器（SLICEM）

SLICEM中的LUT能在不使用觸發器的情況下設置成32bit的移位寄存器, 4個LUT可級聯成128bit的移位寄存器。并且能夠進行SLICEM間的級聯形成更大規模的移位寄存器。

MUX

一個LUT可配置成4:1MUX.

兩個LUT可配置成最多8:1 MUX

四個LUT可配置成16個MUX

同樣可以通過連接多個SLICES達成更大規模設計，但是由于SLICE沒有直接連線，需要使用布線資源，會增加較大延遲。

進位鏈

每個SLICE有4bit的進位鏈。每bit都由一個進位MUX(MUXCY)和一個異或門組成，可在實現加法/減法器時生成進位邏輯。該MUXCY與XOR也可用于產生一般邏輯。

設計中我們可以用vivado查看設計底層的LUT實現圖，具體的差看方法https://blog.csdn.net/qijitao/article/details/51371434

二、LUT實現原理

LUT中文名字叫查找表。以7系列的FPGA為例，每一個Slice里面有四個LUT。FPGA就是通過LUT實現大量的組合邏輯，以及SLICEM里面的LUT還可以構成RAM,Shift Register，以及Multiplexers。這篇文章我們一起來學習LUT如何構成組合邏輯。

LUT，中文名字叫做查找表，其原理其實也就是一個一個查找表，根據輸入去找到相應位置的信號，然后做輸出。說白了就好像一個小容量的ROM，把輸入當作地址信號，對LUT里面預存的內容進行尋址。

7系列的FPGA的LUT有6個輸入端口（A1-6），然后有兩個輸出端口（O5,O6）。下圖是SLICEL里面的LUT。

其可以實現6輸入的布爾組合邏輯函數，輸入信號為A1,A2,A3,A4,A5,A6,輸出端口為O6。如下

O6=f(A1,A2,A3,A4,A5,A6)

其實現方式就是將輸入（A1,A2…A6）對應的輸出在LUT里面預存好（這一步在我們用bit文件配置FPGA時實現），然后把輸入信號當作地址信號去把對應的輸出信號調出來。

同樣其還可以構成兩個5輸入的布爾組合邏輯函數，其中這兩個函數共用5個輸入信號（A1,A2,A3,A4,A5），A6被拉高，O5,O6分別是兩個布爾邏輯的輸出。

O5=f(A1,A2,A3,A4,A5)

O6=f(A1,A2,A3,A4,A5)

故這也相當于實現的是一個5輸入2輸出的邏輯函數。

[O5,O6]=f(A1,A2,A3,A4,A5)

二、LUT提升

總結一下，就好比單個LUT里面可以預存 2^6=64個結果。那么單個LUT可以實現

（1）輸入信號最多為6bit，輸出信號為1bit的的布爾邏輯函數；

（2）輸入信號最多為5bit，輸出信號為2bit的邏輯。

一個SLICE里面有四個LUT故最多可以預存的輸出信號個數為 26*4=28。

因此在一個SLICE里面，借助選擇器將多個LUT進行互連，可以實現輸入數，輸出數最多為如下所示的邏輯。

（1）2個LUT通過互連可以構成7bit輸入，單bit輸出的邏輯。實現方式為兩個LUT的輸入信號A1,A2,A3,A4,A5,A6接到一起，輸出信號經過選擇器選擇輸出，選擇器的選擇信號也是邏輯函數的一個輸入信號。

將邏輯函數的輸出送到Storage Element便可以形成同步時序邏輯。

（2）4個LUT通過互連可以構成8bit輸入，單bit輸出的邏輯。實現方式大家可以根據上面的實現方式自行推理。

（3）2個LUT通過互連可以構成6bit輸入，2bit輸出的邏輯。實現方式自行推理。

（4）4個LUT通過互連可以構成7bit輸入，2bit輸出的邏輯。實現方式自行推理。

審核編輯 ：李倩