Altera内部结构（二）：Cyclone IV芯片结构之逻辑单元（LE）

FPGA芯片内部包括可编程逻辑块（LAB）、可配置输入输出单元（IOE）、时钟管理模块、嵌入式块RAM（BRAM，在Cyclone IV中是M9K）、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和嵌入式专用硬核等。

可以看到，可编程逻辑块和M9K嵌入式块RAM是交替分布的，因为我们在设计中，常常会利用到BRAM，所以这样有利于优化布线，减少写入和读取的传输延迟。 而嵌入式乘法器是位于最中间，也是为了能够快速地使用乘法器资源，因为在使用乘法器的时候，大多数是进行高速信号处理，所以传输延迟比较重要，能够更好地进行时序分析和约束。

查找表是构成逻辑单元的重要组成部分。本质是一个RAM，只是这个RAM已经把所有输出的可能性都写好了。当用户描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出。

目前FPGA Cyclone IV内部多使用4输入LUT，共可以构成16*1的RAM，可以输出16RAM地址的数据。 Cyclone V系列使用的是6输入LUT。 在一个4输入LUT中，使用的是2选1多路器。输入A可以2选1 B输出，输入B可以4选2 C输出，输入C可以8选4 D输出，输入D可以16选8 RAM中的数据。 假设A= B= C= D= 1，则输出最上方的0，假设A= B= C= D= 0，则输出最下方的1。

本地互联在同一个 LAB 的 LE 之间传输信号。寄存器链连接把一个 LE 寄存器的输出传输到 LAB 中相邻的 LE 寄存器上。Quartus II 编译器放置相关的逻辑在 LAB 或相邻的LAB 中，允许使用本地和寄存器链连接以实现性能和面积效率。

上面我们说到了LAB由16个LE组成，那么LE又是由什么组成呢

在图中可以看到，一个完整的LE包括LUT、控制信号逻辑、同步加载清零逻辑、可编程寄存器等。

其中，最核心的是LUT和可编程寄存器。可编程寄存器可以配置成D、JK、T或者SR触发器。

下面画一个简易的LE，只包括LUT和D触发器，控制信号不画，简单说明LE逻辑单元的原理

从图中可以知道， 1、输入信号从LUT端输入并从线2直接输出，相当于就是一个组合逻辑 2、当输入信号data3直接经过线1，并输入到D触发器，再输出，相当于是信号打了一拍，即延迟一个时钟周期 3、当输入信号输入到LUT，并从LUT输出再经过线3输入到D触发器，再从D触发器输出，相当于是构成了一个时序逻辑。

所以，LE可以实现组合逻辑、打一拍、和时序逻辑，具有逻辑单元的特性了。

LE有两种工作模式： 1、正常模式，适用于一般的逻辑应用和组合功能； 2、算术模式，对于加法器、计数器、比较器、蓄能器（？？翻译就是这个，没太懂，应该是存储器差不多吧）的实现比较理想。