LUT的实现原理是什么？

　　一、查找表
　　LUT就是查找表，对于4输入的LUT而言，实际上就是4位地址位，一位数据位的存储器，能够存储16位数据，所以我们在FPGA设计中可以用LUT组建分布式的RAM。
　　这样也可以解释我们在设计中为什么要采用流水线的实现方法
　　因为当输入数据的位数远大于一个LUT的输入时，就需要用多个LUT级联来实现逻辑，那么级联产生的延时也就不可避免了，这样就会制约系统的运行频率。那么为了避免级联数过于多，就采用插入寄存器的方法来实现。
　　举一个简单的例子，如果要实现一个6*1的mux可以用一个6输入的LUT或者是2个4输入的LUT来实现，6输入的LUT相当于是6位地址线一位数据位，能够存储64bit的数据，而采用两个4输入的LUT的话，它的总容量大小为32位数据。
　　如果用6输入的LUT实现4输入LUT的功能，那么就浪费了1-16/64=75%的资源，所以采用少输入的LUT可以更好的节省面积和资源，但是呢如果LUT采用的是2输入的呢，那样岂不是更好吗，不是的，因为对于多输入的信号处理的时候，就需要有多个LUT的级联来实现，而级联有不可避免的会导致延时过分，导致时序不满足。因此在实际的FPGA产品中多采用的是4输入或者6输入的LUT。
　　
　　图 4输入的LUT
　　CLB是xilinx基本逻辑单元，每个CLB包含两个slices，每个slices由4个（A，B，C，D）6输入LUT和8个寄存器组成（中间应该还有一些选择器、与非门、或非门之类的东西）。放一个slices的内部图
　　
　　同一CLB中的两片slices没有直接的线路连接，分属于两个不同的列。每列拥有独立的快速进位链资源。
　　
　　slice分为两种类型 SLICEL， SLICEM
　　（1）SLICEL可用于产生逻辑，算术，ROM。
　　（2）SLICEM除以上作用外还可配置成分布式RAM或32位的移位寄存器。每个CLB可包含两个SLICEL或者一个SLICEL与一个SLICEM.
　　分布式RAM
　　SLICEM可以配置成分布式RAM，一个SLICEM可以配置成以下容量的RAM
　　
　　多bit的情况需要增加相应倍数的LUT进行并联。
　　分布式RAM和 BLOCK RAM的选择遵循以下方法：
　　1. 小于或等于64bit容量的的都用分布式实现
　　2. 深度在64~128之间的，若无额外的block可用分布式RAM。 要求异步读取就使用分布式RAM。数据宽度大于16时用block ram.
　　3. 分布式RAM有比block ram更好的时序性能。 分布式RAM在逻辑资源CLB中。而BLOCK RAM则在专门的存储器列中，会产生较大的布线延迟，布局也受制约。
　　移位寄存器（SLICEM）
　　SLICEM中的LUT能在不使用触发器的情况下设置成32bit的移位寄存器， 4个LUT可级联成128bit的移位寄存器。并且能够进行SLICEM间的级联形成更大规模的移位寄存器。
　　
　　MUX
　　一个LUT可配置成4:1MUX.
　　两个LUT可配置成最多8:1 MUX
　　四个LUT可配置成16个MUX
　　
　　同样可以通过连接多个SLICES达成更大规模设计，但是由于SLICE没有直接连线，需要使用布线资源，会增加较大延迟。
　　进位链
　　每个SLICE有4bit的进位链。每bit都由一个进位MUX（MUXCY）和一个异或门组成，可在实现加法/减法器时生成进位逻辑。该MUXCY与XOR也可用于产生一般逻辑。
　　二、LUT实现原理
　　LUT中文名字叫查找表。以7系列的FPGA为例，每一个Slice里面有四个LUT。FPGA就是通过LUT实现大量的组合逻辑，以及SLICEM里面的LUT还可以构成RAM，Shift Register，以及Multiplexers。这篇文章我们一起来学习LUT如何构成组合逻辑。
　　LUT，中文名字叫做查找表，其原理其实也就是一个一个查找表，根据输入去找到相应位置的信号，然后做输出。说白了就好像一个小容量的ROM，把输入当作地址信号，对LUT里面预存的内容进行寻址。
　　7系列的FPGA的LUT有6个输入端口（A1-6），然后有两个输出端口（O5，O6）。下图是SLICEL里面的LUT。
　　
　　其可以实现6输入的布尔组合逻辑函数，输入信号为A1，A2，A3，A4，A5，A6，输出端口为O6。如下
　　O6=f（A1，A2，A3，A4，A5，A6）
　　其实现方式就是将输入（A1，A2…A6）对应的输出在LUT里面预存好（这一步在我们用bit文件配置FPGA时实现），然后把输入信号当作地址信号去把对应的输出信号调出来。
　　同样其还可以构成两个5输入的布尔组合逻辑函数，其中这两个函数共用5个输入信号（A1，A2，A3，A4，A5），A6被拉高，O5，O6分别是两个布尔逻辑的输出。
　　O5=f（A1，A2，A3，A4，A5）
　　O6=f（A1，A2，A3，A4，A5）
　　故这也相当于实现的是一个5输入2输出的逻辑函数。
　　［O5，O6］=f（A1，A2，A3，A4，A5）
　　二、LUT提升
　　总结一下，就好比单个LUT里面可以预存 2^6=64个结果。那么单个LUT可以实现 （1）输入信号最多为6bit，输出信号为1bit的的布尔逻辑函数；
　　（2）输入信号最多为5bit，输出信号为2bit的逻辑。
　　一个SLICE里面有四个LUT故最多可以预存的输出信号个数为 26*4=28。
　　因此在一个SLICE里面，借助选择器将多个LUT进行互连，可以实现输入数，输出数最多为如下所示的逻辑。
　　（1）2个LUT通过互连可以构成7bit输入，单bit输出的逻辑。实现方式为两个LUT的输入信号A1，A2，A3，A4，A5，A6接到一起，输出信号经过选择器选择输出，选择器的选择信号也是逻辑函数的一个输入信号。
　　将逻辑函数的输出送到Storage Element便可以形成同步时序逻辑。
　　
　　（2）4个LUT通过互连可以构成8bit输入，单bit输出的逻辑。实现方式大家可以根据上面的实现方式自行推理。
　　（3）2个LUT通过互连可以构成6bit输入，2bit输出的逻辑。实现方式自行推理。
　　（4）4个LUT通过互连可以构成7bit输入，2bit输出的逻辑。实现方式自行推理。