[发明专利]稀疏查找表及FPGA中逻辑结点的映射方法

说明书

本发明提供了一种稀疏查找表及FPGA中逻辑结点的映射方法，稀疏查找表包括k个输入端口、多级选通器电路、n个SRAM单元和1个输出端口，k个输入端口分别与多级选通器电路的k个控制端连接，多级选通器电路的输出端与输出端口连接，多级选通器电路的2^k个输入端中的n个输入端分别与n个SRAM单元连接，剩下的2^k‑n个输入端分别与常量电平连接。本发明采用常量电平替换部分内部SRAM单元，使得稀疏查找表的单元面积减小，从而可以减小整个FPGA芯片的面积，并使用配套的映射算法，可以使用更少的芯片面积来实现相同用户电路。

技术领域

本发明涉及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)技术领域，尤其涉及一种采用常量电平替换部分内部静态随机存储器(SRAM)配置单元的稀疏查找表(Sparse Look Up Table，Sparse-LUT)。

背景技术

查找表(Look-up Table，LUT)作为现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Arrays，FPGAs)架构中的可编程逻辑结构，为FPGA芯片提供用户设计的逻辑实现。最基本的查找表结构如图1所示，由可配置的静态随机存储器(Static Random AccessMemory，SRAM)单元11和多级选通器电路(Multiplexer，MUX)12构成，每个查找表的SRAM单元都根据其所实现的功能进行配置，随后，输出端口13根据输入端口14的变化，选择出对应SRAM单元的配置值，从而实现相应逻辑功能的输出。对于一个K输入的查找表单元，一共有2^K个SRAM配置位，因此存在22^K种不同的配置方案，可以实现22^K种不同的功能。然而，查找表具有如此强大的灵活性是以电路面积、延迟和功耗为代价的，并且其单元延迟随着输入数目K的增大呈线性增长，其单元面积则成指数性增大，如何有效地改善查找表结构一直是FPGA结构研究的重点问题。

一个K输入查找表的功能集合中包含22^K种不同的逻辑功能，但是实际上在如此庞大的功能集合中存在很多不必要的冗余功能：

1、某些功能是等价的，比如可以通过引脚的交换来将不同的配置进行等价；

2、某些功能在实际的电路中，极少或者根本用不到，造成了配置资源的浪费；

以四输入查找表结构在VTR测试电路集中的411,799个逻辑功能的分析结果为例，如图2所示，411,799个查找表所实现逻辑功能的统计中，一共只出现了1,001个不同的逻辑功能，这远远小于2¹⁶＝65,536个功能的表达，证明了查找表的常用功能确实远少于其功能集合。而在这1,001个逻辑功能中，其中出现率最高的前64个逻辑功能就能覆盖78.4％的常用功能，再次映证了查找表需要的常用功能很少，其现有功能过于冗余。

表1列举了不同查找表在VTR测试电路集下的常用功能数目和功能覆盖率的关系，从表中的数据可以看出，所有的查找表都存在非常多的功能冗余，并且查找表尺寸越大，功能冗余越多。

表1

对查找表的功能集合进行合理分析和筛选，选择性的剔除掉那些不必要的冗余功能，只保留最精简常用的逻辑功能。功能缩减的背后就意味着可以大大减少所需要的SRAM配置位的数目，从而非常有效地减小查找表的面积。

传统的查找表结构是由SRAM配置位和多级选通器电路构成，表2列举出了现有几种不同查找表的面积组成，其中2级、3级表示的是查找表的电路实现中所采用选通器(MUX)电路的级数。SRAM和MUX面积项中的百分率表示该部分电路占整个查找表电路面积的比率，其中SRAM面积占到整个查找表面积的62-79％。因此，减小SRAM的数目能有效的减小查找表单元的面积。例如，当SRAM数目减少50％时，查找表的面积可以减少31-39％；当SRAM数目减少75％时，查找表的面积将减半。