浅谈XILINX FPGA CLB单元 之 进位逻辑链（CARRY4原理分析，超前快速进位逻辑结构）

一、可配置逻辑块(Configurable Logic Block, CLB)简介

CLB可配置逻辑块是指实现各种逻辑功能的电路，是xilinx基本逻辑单元。下图给出了一个 SLICEM 的内部结构。
其中包含4个6输入LUT、进位链、多路复用器和8个寄存器

在Xilinx FPGA中，每个可配置逻辑块（CLB）包含2个Slice。每个Slice 包含查找表、寄存器、进位链和多个多数选择器构成。而Slice又有两种不同的逻辑片：SLICEM和SLICEL。SLICEM有多功能的LUT，可配置成移位寄存器，或者ROM和RAM。逻辑片中的每个寄存器可以配置为锁存器使用。今天写这篇文章的目的主要是为了让我们搞清楚FPGA重要资源CLB、Slice、LUT。

学习的主线是根据XILINX 官方文档“ug474_7Series_CLB.pdf”，官方下载地址

关于具体的CLB中各模块，如查找表(LUT)、存储单元、Distributed RAM、移位寄存器、Multiplexers、进位逻辑(Carry Logic)、可以参考这边博客：

本节主要针对进位逻辑（Carry Logic）部分进行详细的介绍。

二、进位逻辑链

1. CLB进位模块
   在CLB中，除了函数发生器之外，还提供了专用的快速超前进位逻辑，以slice片中执行快速算术加法和减法。 7系列FPGA CLB具有两个独立的进位链，如下图所示。 进位链可级联以形成更宽的加/减逻辑。
   
2. 进位逻辑链的结构（CARRY4）
   7系列FPGA 每个 SLICE有 4bit 的进位链。进位链向上延伸，每个slice的高度为四位。 对于每个位，都有一个进位多路复用器（MUXCY） 和专用的XOR门，用于用选定的进位位加/减操作数。 专用的进位路径和进位多路复用器（MUXCY）也可以用于级联函数发生器，以实现广泛的逻辑功能。
   
3. CARRY4模块
   CARRY4原语实例化每个slice中可用的快速进位逻辑。 该原语与LUT结合使用以构建加法器和乘法器。 下图显示了CARRY4原语。 综合工具通常会从算术HDL代码中推断出此逻辑，从而自动正确连接此功能。
   
   端口信号
   1）总输出-O [3：0] 总和输出提供加/减的最终结果。 它们连接到slice AMUX / BMUX / CMUX / DMUX输出。
   2）进位输出-CO [3：0] 进位输出提供每个位的进位。 CO [3]等效于COUT。 如果通过COUT将CO [3]连接到另一个CARRY4原语的CI输入，则可以创建更长的进位链，并且专用路由将进位链连接到一排片上。
   3）进位输出还可以选择连接至sliceAMUX / BMUX / CMUX / DMUX输出。

三、CARRY4结构能实现快速超前加法的原理

1. CARRY4的原理过程:
   1)端口S[3:0]是要求数据的异或输入；
   2)端口DI[3:0]是数据的输入（a,b都可以），通过选择器判断是否是进位标志；
   3)MUXCY选择器作为向下一级输出标志的选择端口；

2. 对于一个全加器
   具体的原理可以参考之前的一篇博客: 数字电路基础知识(四) 加法器-半加器、全加器与超前进位加法器
   基本的进位标志和输出如下。
   
   对于CARRY4，端口S端其实是已经做过亦或处理的输入了。
   即：
   S=a@b //(@表示异或)
   端口D可以任选a、b输入当中的一个，如选择b
   输出端：
   那么O端即表示输出端：O = S@cin = a@b@cin
   进位端：
   CO=(a@b)'b +(a@b)cin //利用多路复用器：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结构能够实现快速超前进位加法器。
如下面的一个例子，两个加数分别为0100，0101：