物理可級聯(lián)的LUT的優(yōu)勢在哪？

在Versal ACAP中，同一個CLB內(nèi)同一列的LUT是可以級聯(lián)的，這是與前一代FPGA UltraScale+系列的一個顯著不同點。這里我們先看看Versal中LUT的結(jié)構(gòu)，如下圖所示（圖片來源：Figure4, am005）。

可以看到，一個LUT6（6輸入LUT）是由4個LUT4（4輸入LUT）外加一些MUX（數(shù)據(jù)選擇器）共同構(gòu)成。同時，LUT6有4個輸出端口。其中，prop端口只有在LUT用作進位邏輯時使用，且在CLB外部不可見。用做6個輸入的邏輯函數(shù)發(fā)生器時，輸出在O6端口；雙LUT5模式時，輸出在O5_1和O5_2端口。同時還可以注意到，多了一個級聯(lián)端口cascade_in，該端口用于與前一級LUT的O6輸出相連接。級聯(lián)端口不需要手工連接，工具會自動判斷是否使用該端口。

我們看一個具體的案例，如下圖所示。輸入a為6bits，b為5bits，a/b分別執(zhí)行異或位縮減運算（^a，^b），然后再將兩者結(jié)果執(zhí)行邏輯與。顯然a的異或位縮減運算會占用一個LUT6，b的異或位縮減運算與后續(xù)的與門共同消耗一個LUT6。

上述電路圖布線后打開Schematic視圖，鎖定其中的兩個LUT6，如下圖所示。

進一步在Device視圖中可以看到具體的物理連接方式，如下圖所示?？梢钥吹綀D片下方的LUT由O6輸出，并連接到上方LUT的級聯(lián)端口。

再從時序角度看，這里我們設(shè)定時鐘頻率為600M，在時序報告中，可以看到這部分的延遲（兩個LUT之間的布線延遲）為0.019ns。整個設(shè)計的WNS為0.923ns。

同樣的設(shè)計，如果在UltraScale+中執(zhí)行，結(jié)果如下圖所示，可以看到兩個LUT相距很遠，因為UltraScale+中的LUT是不支持級聯(lián)的，這就要消耗CLB外部的布線資源。

從時序角度看，這部分的延遲為0.205ns，顯然大了很多。

綜上所示，我們可以得出如下結(jié)論：

LUT的級聯(lián)可以有效降低關(guān)鍵路徑上的延遲，同時減少CLB外部布線資源的消耗。這對于緩解布線擁塞非常有利。還要注意的是這種級聯(lián)僅限于同一個CLB中的同一列LUT，且級聯(lián)方向由下至上，這意味著級聯(lián)所用到的布線資源都在CLB內(nèi)部，而不會消耗CLB外部布線資源。

編輯：jq