初識FPGA CLB之LUT實現邏輯函數

一.概述

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。

二.LUT實現原理

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)

三.總結與提升

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 2^6*4=2^8。

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。

（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。

超過8輸入的布爾邏輯就需要多個SLICE來實現。