淺談XILINX FPGA CLB單元 之 進位邏輯鏈（CARRY4原理分析，超前快速進位邏輯結構）

一、可配置邏輯塊(Configurable Logic Block, CLB)簡介

CLB可配置邏輯塊是指實現各種邏輯功能的電路，是xilinx基本邏輯單元。下圖給出了一個 SLICEM 的內部結構。

其中包含4個6輸入LUT、進位鏈、多路復用器和8個寄存器

在Xilinx FPGA中，每個可配置邏輯塊（CLB）包含2個Slice。每個Slice 包含查找表、寄存器、進位鏈和多個多數選擇器構成。而Slice又有兩種不同的邏輯片：SLICEM和SLICEL。SLICEM有多功能的LUT，可配置成移位寄存器，或者ROM和RAM。邏輯片中的每個寄存器可以配置為鎖存器使用。今天寫這篇文章的目的主要是為了讓我們搞清楚FPGA重要資源CLB、Slice、LUT。

二、進位邏輯鏈

CLB進位模塊

在CLB中，除了函數發生器之外，還提供了專用的快速超前進位邏輯，以slice片中執行快速算術加法和減法。7系列FPGA CLB具有兩個獨立的進位鏈，如下圖所示。進位鏈可級聯以形成更寬的加/減邏輯。

進位邏輯鏈的結構（CARRY4）

7系列FPGA 每個 SLICE有 4bit 的進位鏈。進位鏈向上延伸，每個slice的高度為四位。對于每個位，都有一個進位多路復用器（MUXCY） 和專用的XOR門，用于用選定的進位位加/減操作數。專用的進位路徑和進位多路復用器（MUXCY）也可以用于級聯函數發生器，以實現廣泛的邏輯功能。

CARRY4模塊

CARRY4原語實例化每個slice中可用的快速進位邏輯。該原語與LUT結合使用以構建加法器和乘法器。下圖顯示了CARRY4原語。綜合工具通常會從算術HDL代碼中推斷出此邏輯，從而自動正確連接此功能。

端口信號

1）總輸出-O [3：0] 總和輸出提供加/減的最終結果。它們連接到slice AMUX / BMUX / CMUX / DMUX輸出。

2）進位輸出-CO [3：0] 進位輸出提供每個位的進位。CO [3]等效于COUT。如果通過COUT將CO [3]連接到另一個CARRY4原語的CI輸入，則可以創建更長的進位鏈，并且專用路由將進位鏈連接到一排片上。

3）進位輸出還可以選擇連接至sliceAMUX / BMUX / CMUX / DMUX輸出。

三、CARRY4結構能實現快速超前加法的原理

CARRY4的原理過程:

1)端口S[3:0]是要求數據的異或輸入；

2)端口DI[3:0]是數據的輸入（a,b都可以），通過選擇器判斷是否是進位標志；

3)MUXCY選擇器作為向下一級輸出標志的選擇端口；

對于一個全加器

具體的原理可以參考之前的一篇博客: 數字電路基礎知識(四) 加法器-半加器、全加器與超前進位加法器

基本的進位標志和輸出如下。

對于CARRY4，端口S端其實是已經做過亦或處理的輸入了。

即：

S=a@b //(@表示異或)

端口D可以任選a、b輸入當中的一個，如選擇b

輸出端：

那么O端即表示輸出端：O = S@cin = a@b@cin

進位端：

CO=(a@b)'b +(a@b)cin //利用多路復用器：y=s’b+scin

=(a’b+ab’)‘b+(a@b)cin

=(a’b)’(ab’)‘b+(a@b)cin

=(a+b’)(a’+b)b+(a@b)cin

=(ab+b’b)(a’+b)+(a@b)cin

=ab(a’+b)+(a@b)cin

=(a@b)cin+ab

所以此CARRY4結構能夠實現快速超前進位加法器。