Xilinx FPGA底層資源架構與設計規范

題主最近開始接觸和FPGA的方案驗證相關的工作內容，需要把握FPGA內部資源的詳細信息，所以又仔細查看了官方的器件手冊。這一次給大家分享的內容主要涉及Xilinx FPGA內的CLBs，SelectIO和Clocking資源，適合對FPGA設計有時序要求，卻還沒有足夠了解的朋友。

參考器件上，雖然一些專用的資源都集中在高端的FPGA型號中，不過題主想了想，還是把它們放在該系列后續的文章中吧。下文中的舉證皆來自Spartan6器件文檔，所以也不會超出Spartan6涵蓋內容。

傳統的FPGA內部資源分類作三類，可配置邏輯模塊（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（InputOutput Block）和內部布線資源（Interconnect）三個部分，這些大家都知道的。隨著FPGA的發展，為了滿足對信號處理和片上儲存的需要，又在前三類基礎上增加了塊RAM（BRAM）、時鐘管理單元和硬件乘法器，之后又在部分系列里增加了PPC和高速串行輸入與輸出等等。

下文將要提到的CLB、SelectIO和Clocking資源里，SelectIO資源是比較豐富的一類，所以在順序上把它放在最后。

正文：

首先說說CLB吧，它是一類最重要，其實也是最易于使用的結構。Xilinx把盡可能多的資源配置接口開放給用戶，但是出于控制開發周期，并且提高系統穩定性的考慮，CLB不是其中之一，它的配置方案幾乎全部由IDE實現過程智能分配，用戶可以約束特殊Slice的位置，但很少有這種必要，交給IDE來完成會更加有效。

來看看它的結構（有一些圖片資料不好找，后期整合的時候會補全）：

① CLB資源會根據FPGA的尺寸被內部時鐘網絡分割成若干個區域，一般每個區域是40個CLB單元高度；

② 每個CLB連接到一個開關矩陣來接入全局布線矩陣；

③ 一個CLB單元包含 一對Slice單元（兩個Slice無直接連接，并且在CLB間成列分布，每個縱列的Slice有一條獨立的進位鏈）；

④ 一個CLB中下方的Slice記為Slice0，上方的記為Slice1；

⑤ 每個Slice包含4個查找表（LUTs），8個存儲單元（FF），以及一些選擇器和進位邏輯，這些單元用于提供邏輯、算術和ROM功能；

⑥ 有一部分Slice支持DistributedRAM和32位移位寄存器功能，被記為SLICEM，其他的記為SLICEL（一個CLB最多有一個SLICEM，每個CLB縱列至少有一個SLICEM，在DSP48E（XilinxFPGA內的硬件乘法器）縱列旁的兩個CLB縱列，每一個CLB都有SLICEM）。

SLICEM
(DistributedRAM和ShiftRegisters資源都在LUTs上掛載)

最后看一下一個CLB中的資源總量：

當然具體到Slice中幾種資源還有一些細節需要關注，主要是和LUTs的特性相關，不過等后面加入案例來講吧。如果此前你已經對FPGA設計有一些經驗和體會的話，現在想必已經對FPGA的查找表結構有了自己的理解。

還是簡單提及一下LUTs的作用，就是查表，，，在我看來，它就是一個6輸入2輸出的多功能選擇器，可以直接把Verilog中always塊的行為映射到它的行為上，通過對輸入端口的連接配置，它就能夠實現我們需要的信號行為模型。完整的過程以后會加入案例來講。讓我們緩一口氣，先進入下一個內容。

XilinxFPGA內部有復雜的時鐘資源網絡，來維護大數量邏輯資源條件下的時序要求和系統穩定。主要分為全局時鐘線和局部時鐘網絡，在Spartan6上，還有數字時鐘管理器（DCM）和數字鎖相環（PLL）兩種硬核資源，用以輔助時鐘資源網絡。Spartan6內部提供了16個全局時鐘驅動buffer和40個局部時鐘的，它們均勻地分布在上文提到的被時鐘網絡分割出來的各區域中：

我們可以通過例化BUFG和BUFIO等原語調用這些資源，為GTP（H/X/Z）和DDR、AD/DA這樣的高速信號組提供更低相位偏移的時鐘參考，但是時鐘資源的分配有比較多的使用規則，在資源有限而布線拮據的情況下，時常會被Xilinx規則檢查器告知使用違例。之后題主會結合一些真實案例來引導大家去規避這樣的錯誤。

時鐘資源所用的篇幅也很短，事實上涉及到時鐘的問題很多，但是要在需要的時候再去認識才有價值，不然沒有依據的去了解，也沒有什么價值。接下來看看FPGA內部最為豐富的I/O資源，畢竟現在市場上FPGA最廣泛和最擅長的，就是做接口，下文包含的很多內容，在多個系列的FPGA上都是差不多的規范：

① FPGA的I/O資源被分布在若干個Bank中，每個Bank中有20個I/O Tile；

② 一個Tile包含2個IOB，2個ILOGIC，2個OLOGIC和2個IOEDLAY，用于對雙端（差分）信號配對；

③ IOB包含輸入、輸出和三態驅動，可配置為不同的I/O標準；IOB直連一對I(O)LOGIC，I(O)LOGIC包含數據I/O的邏輯資源和三態控制，I(O)LOGIC也可以通過調用相關原語配置為I(O)SERDES，實現數據的串并行轉換；

IOB單元支持大量的接口標準，可以對負載能力和轉換速率進行控制。并且同Bank內支持復合電壓輸出，以驅動一些低壓I/O標準，不過對參考電平的選擇有一些規則。

對于單端和雙端信號I/O，可以選擇很多種buffer配置方式去驅動這些信號，當然IDE的實現過程中也幫我們配置好了很多，作為用戶，常用的像IBUFG、IBUFR這樣的時鐘驅動資源，IBUFDS、OBUFDS實現信號單雙端轉換，以及用OBUFT實現三態控制等等。