基于FPGA的TDC那些事之设计资源LAB

王敏志

概述

         详细了解ALTERA FPGA的LAB结构，在着重详细了解StratixII之后高端器件LAB的基础上比较ALTERA各个系列器件LAB的异同。展示了可以利用ALTERA LAB哪些特性来进行TDC设计。

LAB

         LAB即Logic Array Blocks，由数个LE、LE进位链、LAB控制信号、寄存器链以及本地互连信号等组成。ALTERA最早的FPGA是由10个LE组合成一个LAB，比如Cyclone。从CycloneII开始，16个LE组成一个LAB，高端器件从StratixII开始最小逻辑单元不叫LE而叫ALM，8个ALM组成一个LAB。图1是10个LE组成的LAB，CycloneII等由16LE组成的LAB和图1所示的结构一样，只是本地互连线以及反馈连线的数量有区别而已，而StratixII及之后的高端器件的LAB结构示意图如图2所示。

图1:10个LE组成一个LAB

图2：由8个ALM组成一个LAB

ALM和LE

    ALM即Adaptive Logic Module的缩写，我们知道一个LE就是一个4输入查找表和一个寄存器组成，而一个ALM可以如图3所示，进行功能自适应，其中图中间的4输入功能后向兼容LE（一个ALM等同2个LE）。

图3：8输入ALM的可分割且自适应结构

    图 3这种自适应功能在TDC设计中不是我们关注的焦点，反而由于这样自适应的存在，增加了FPGA编译器的灵活度，进而增加了TDC设计的难度（TDC设计 的精髓就是simplicity和linearity）。TDC的关键部件是Delay-Line，利用LE来实现Delay Line要比用ALM实现Delay Line要方便得多。所以我们需要深入了解LE特别是ALM的内部结构，然后才能着手进行TDC的设计。

    LE的操作模式只有普通模式（Normal）和算术模式（Arithmetic）两种，而ALM的操作模式有四种，分别是普通模式、扩展LUT模式、动态算术模式以及共享算术模式。目前还不清楚这些操作模式对TDC设计的影响，做到有个了解即可。

图4：LE的内部结构

    图4展示的是LE的内部结构，需要关注的是LE内部没有如ALM里那样的专门加法器，如果要实现加法器，则是通过LUT完成。这里需要关注LE的一个特点是图中的四个data输入端口，LUT的这四个输入路径相对较简单，再加上4输入LUT功能简单，所以在实现TDC功能的时候也比较简单，基本无需人工干预。图5是在QuartusII里的ChipPlanner工具里观察一个LE的视图，进一步验证了LE简单的功能结构。

图5：在ChipPlanner里观察到的LE结构

    图6是ALM的示意图，对比图6和图4、图5可以看到一个ALM除了相当于两个LE以外，中间还特别增加了两个专用加法器。

图6：ALM

    图7是ALM的内部结构，图上方是ALTERA内部培训资料上给出的一个性能指标，这个55ps到383ps的指标对于TDC设计至关重要，资料中没有解释这个时间参数具体含义，而且ALTERA的公开资料上也很难查到类似这样的参数。我们可以想象一下假如用户要在FPGA内部实现一个Delay Line,其每个延时单元的延时时间如果是55ps，那么利用FPGA实现TDC是不是成为了可能了呢？事实上这确实是事实。已经有人在Cyclone系列FPGA上实现了精度达到10ps的TDC，本人也在高端器件ArriaGX上实现了相同的功能。所以回过头来理解这个55ps应该是Carry-in到Carry-out等进位链延时时间，而几百皮秒的时间应该是ALM输入到输出端口的延时时间。由于ALM有各种不同的输入及输出，所以这个时间参数才会有不同的数值，就算路径相同，那么如果位置不同，这个时间也应该有微小的差别。

    仔细观察图7，可以总结出ALM的输入包含了8个数据输入，1个进位链，一个共享算术输入，一个寄存器链输入以及寄存器控制信号；而ALM的输出则包含了图7最右方的两路数据输出，每路数据输出提供了3个驱动（一个信号只驱动通用路径，另一个信号可驱动通用和本地路径），每一个ALM最多可有4个逻辑输出（2个组合逻辑输出，2个寄存器输出），另外还有进位链输出，共享算术输出以及寄存器链输出。图8示意了图7中所有可能的输入和输出。

图7：ALM内部结构

图8：ALM的输入输出示意图

    比较图7和图4，我们发现ALM的数据输入路径要比LE的数据输入路径要复杂一些，所以在进行TDC设计的时候经常需要进行部分人工干预，通常用户可以通过QuartusII软件里的ECO模块手动的修改某些路径以调整Delay Line的输入路径。这种手动干预，特别是在单FPGA多TDC通道的时候更加重要，否则的话各TDC通道之间“Skew”会非常大。

    最后对于上述图7中的时间参数，利用ALTERA的TiemQuest工具可分析出这个时间，如图9所示。只不过这个时间的范围比图7所示的要大得多，根据数据路径不同会有不同，图9显示的最大延时时间是625ps，最小延时时间是51ps。图9的数据路径是从datac到ALM的输出，通过手动改变数据路径，比如将datac改为dataa或者datab,那么这个延时时间超过700ps，如果将datac改成dataf，那么这个延时时间大概是400多皮秒。图9中最小的延时时间是51ps，比较符合图7给出的时间参数。另外，需要说明的是，图7培训资料针对的是StratixII器件，而上述利用TimeQuest分析的是基于ArriaGX。根据ALTERA的信息，物理上这二者没有分别，因为这二者的DIE是一样的，只是有可能因为工具对二者处理的不同才导致这个参数的差别。

图9：ALM内部延时时间参数

结论

    本文比较了低端器件的LE以及高端器件的ALM的异同，进而分析在不同器件上实现TDC功能时所需要注意的事项，尤其是需要进行manually modification。