Xilinx FPGA底层资源架构与设计规范

题主最近开始接触和FPGA的方案验证相关的工作内容，需要把握FPGA内部资源的详细信息，所以又仔细查看了官方的器件手册。这一次给大家分享的内容主要涉及Xilinx FPGA内的CLBs，SelectIO和Clocking资源，适合对FPGA设计有时序要求，却还没有足够了解的朋友。

参考器件上，虽然一些专用的资源都集中在高端的FPGA型号中，不过题主想了想，还是把它们放在该系列后续的文章中吧。下文中的举证皆来自Spartan6器件文档，所以也不会超出Spartan6涵盖内容。

传统的FPGA内部资源分类作三类，可配置逻辑模块（Configurable Logic Block）、输入输出模块（InputOutput Block）和内部布线资源（Interconnect）三个部分，这些大家都知道的。随着FPGA的发展，为了满足对信号处理和片上储存的需要，又在前三类基础上增加了块RAM（BRAM）、时钟管理单元和硬件乘法器，之后又在部分系列里增加了PPC和高速串行输入与输出等等。

下文将要提到的CLB、SelectIO和Clocking资源里，SelectIO资源是比较丰富的一类，所以在顺序上把它放在最后。

正文：

首先说说CLB吧，它是一类最重要，其实也是最易于使用的结构。Xilinx把尽可能多的资源配置接口开放给用户，但是出于控制开发周期，并且提高系统稳定性的考虑，CLB不是其中之一，它的配置方案几乎全部由IDE实现过程智能分配，用户可以约束特殊Slice的位置，但很少有这种必要，交给IDE来完成会更加有效。

来看看它的结构（有一些图片资料不好找，后期整合的时候会补全）：

① CLB资源会根据FPGA的尺寸被内部时钟网络分割成若干个区域，一般每个区域是40个CLB单元高度；

② 每个CLB连接到一个开关矩阵来接入全局布线矩阵；

③ 一个CLB单元包含 一对Slice单元（两个Slice无直接连接，并且在CLB间成列分布，每个纵列的Slice有一条独立的进位链）；

④ 一个CLB中下方的Slice记为Slice0，上方的记为Slice1；

⑤ 每个Slice包含4个查找表（LUTs），8个存储单元（FF），以及一些选择器和进位逻辑，这些单元用于提供逻辑、算术和ROM功能；

⑥ 有一部分Slice支持DistributedRAM和32位移位寄存器功能，被记为SLICEM，其他的记为SLICEL（一个CLB最多有一个SLICEM，每个CLB纵列至少有一个SLICEM，在DSP48E（XilinxFPGA内的硬件乘法器）纵列旁的两个CLB纵列，每一个CLB都有SLICEM）。

SLICEM
(DistributedRAM和ShiftRegisters资源都在LUTs上挂载)

最后看一下一个CLB中的资源总量：

当然具体到Slice中几种资源还有一些细节需要关注，主要是和LUTs的特性相关，不过等后面加入案例来讲吧。如果此前你已经对FPGA设计有一些经验和体会的话，现在想必已经对FPGA的查找表结构有了自己的理解。

还是简单提及一下LUTs的作用，就是查表，，，在我看来，它就是一个6输入2输出的多功能选择器，可以直接把Verilog中always块的行为映射到它的行为上，通过对输入端口的连接配置，它就能够实现我们需要的信号行为模型。完整的过程以后会加入案例来讲。让我们缓一口气，先进入下一个内容。

XilinxFPGA内部有复杂的时钟资源网络，来维护大数量逻辑资源条件下的时序要求和系统稳定。主要分为全局时钟线和局部时钟网络，在Spartan6上，还有数字时钟管理器（DCM）和数字锁相环（PLL）两种硬核资源，用以辅助时钟资源网络。Spartan6内部提供了16个全局时钟驱动buffer和40个局部时钟的，它们均匀地分布在上文提到的被时钟网络分割出来的各区域中：

我们可以通过例化BUFG和BUFIO等原语调用这些资源，为GTP（H/X/Z）和DDR、AD/DA这样的高速信号组提供更低相位偏移的时钟参考，但是时钟资源的分配有比较多的使用规则，在资源有限而布线拮据的情况下，时常会被Xilinx规则检查器告知使用违例。之后题主会结合一些真实案例来引导大家去规避这样的错误。

时钟资源所用的篇幅也很短，事实上涉及到时钟的问题很多，但是要在需要的时候再去认识才有价值，不然没有依据的去了解，也没有什么价值。接下来看看FPGA内部最为丰富的I/O资源，毕竟现在市场上FPGA最广泛和最擅长的，就是做接口，下文包含的很多内容，在多个系列的FPGA上都是差不多的规范：

① FPGA的I/O资源被分布在若干个Bank中，每个Bank中有20个I/O Tile；

② 一个Tile包含2个IOB，2个ILOGIC，2个OLOGIC和2个IOEDLAY，用于对双端（差分）信号配对；

③ IOB包含输入、输出和三态驱动，可配置为不同的I/O标准；IOB直连一对I(O)LOGIC，I(O)LOGIC包含数据I/O的逻辑资源和三态控制，I(O)LOGIC也可以通过调用相关原语配置为I(O)SERDES，实现数据的串并行转换；

IOB单元支持大量的接口标准，可以对负载能力和转换速率进行控制。并且同Bank内支持复合电压输出，以驱动一些低压I/O标准，不过对参考电平的选择有一些规则。

对于单端和双端信号I/O，可以选择很多种buffer配置方式去驱动这些信号，当然IDE的实现过程中也帮我们配置好了很多，作为用户，常用的像IBUFG、IBUFR这样的时钟驱动资源，IBUFDS、OBUFDS实现信号单双端转换，以及用OBUFT实现三态控制等等。