FPGA 核心硬件资源详解：LUT、FF、BRAM、DSP 与 PLL 解析及综合报告解读

触发器 FF 与寄存器

FF 的物理结构

FF（Flip-Flop，触发器） 是存储 1 bit 状态的基本单元。FPGA 中的每个 FF 实际上是一个 D 触发器：

• D：数据输入
• Q：数据输出
• CLK：时钟（上升沿触发）
• CE（Clock Enable）：时钟使能
• R/S：复位/置位

// 综合为 1 个 FF
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) q <= 1'b0;
    else q <= d;
end

寄存器 = N 个 FF 的集合

N 位 reg 类型信号在综合后对应 N 个 FF：

reg [7:0] data_reg; // 综合为 8 个 FF

FF 的时钟使能（CE）

当 always 块中有 if (en) 条件时，综合工具会自动将 en 连接到 FF 的 CE 端口，而不是生成一个选择器：

always @(posedge clk) begin
    if (en) q <= d; // 综合后：d→D，en→CE，而不是 MUX
end

利用 CE 而不是 MUX 来实现使能，可以节省 LUT 资源并降低时序压力。

FF 的复位类型对综合的影响

Xilinx 7 系列 FF 有异步复位端口，因此异步复位写法更节省资源。

Block RAM

什么时候用 BRAM

片内 BRAM 适合存储较大量的数据（几百字节以上）：

如果用 LUT 来拼大容量存储，LUT 资源会迅速耗尽（每个 LUT 只能存 64 bit）。

BRAM 结构

Artix-7 的 BRAM 为 36Kb 双端口 RAM，可配置为：

一个 36Kb BRAM 也可以拆为两个 18Kb BRAM 使用。

Verilog 推断 BRAM

综合工具（Vivado）能从 Verilog 代码自动推断 BRAM，关键是遵循"同步读"写法：

// 推断单端口同步 RAM（综合为 BRAM）
module single_port_ram #(
    parameter DATA_WIDTH = 8,
    parameter ADDR_WIDTH = 8 // 深度 = 2^8 = 256
)(
    input wire clk,
    input wire we, // 写使能
    input wire [ADDR_WIDTH-1:0] addr,
    input wire [DATA_WIDTH-1:0] din,
    output reg [DATA_WIDTH-1:0] dout
);
    // 存储阵列
    reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [0:(1<<ADDR_WIDTH)-1];
    
    always @(posedge clk) begin
        if (we) mem[addr] <= din;
        dout <= mem[addr]; // 同步读（关键！异步读不会推断 BRAM）
    end
endmodule

注意：BRAM 是同步读——读操作在时钟沿触发，输出比输入延迟 1 个时钟周期。这与"组合逻辑读 ROM"不同，设计时要注意这个延迟。

ROM 初始化

通过在声明时初始化，可以推断出只读 ROM：

// 正弦波查找表 ROM（64 点，8bit）
reg [7:0] sin_rom [0:63];
initial begin
    sin_rom[0] = 8'd128;
    sin_rom[1] = 8'd140;
    // ...（通常通过 $readmemh 从文件加载）
    $readmemh("sin_table.hex", sin_rom);
end

DSP48 乘加单元

为什么乘法要用 DSP

一个 16×16 的乘法器如果用 LUT 来实现，需要消耗约 100 个以上的 LUT，且时序性能差（关键路径长）。而 FPGA 片内专门集成了 DSP48 硬核乘加单元，一个 DSP48E1 就能实现 25×18 位的乘加运算：

P = A × B + C 

其中 A 为 30 bit，B 为 18 bit，P 为 48 bit（Artix-7 DSP48E1 规格）。

自动推断 DSP

只要代码中出现乘法运算，综合工具通常会自动将其映射到 DSP：

// 以下代码会被综合工具自动推断为 DSP
wire signed [15:0] a, b;
wire signed [31:0] p;
assign p = a * b; // → 推断为 1 个 DSP48

MAC 累加器（乘累加）

DSP48 内部有预加器和后加器，特别适合 MAC（Multiply-Accumulate）运算，如 FIR 滤波器、矩阵乘法：

// 乘累加：acc = acc + a * b
reg signed [47:0] acc;
wire signed [15:0] a, b;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) acc <= 48'd0;
    else if (en) acc <= acc + (a * b); // 综合为 DSP 的 P = A×B + C 模式
end

强制推断 DSP 的属性

有时候综合工具可能"改主意"用 LUT 实现乘法。可以用综合属性强制指定：

(* use_dsp = "yes" *) wire signed [31:0] p;
assign p = a * b;

PLL 锁相环

PLL 的用途

板载晶振只提供一个固定频率（通常 100 MHz）。实际项目中往往需要多个不同频率的时钟，这时需要 PLL（Phase-Locked Loop，锁相环） 来生成：

Vivado 中使用 PLL IP 核

Xilinx 7 系列推荐用 Clocking Wizard IP 核配置 PLL/MMCM，具体步骤见后续教程。这里先了解 PLL 基本参数：

// PLL 例化示意（由 Clocking Wizard 自动生成）
clk_wiz_0 u_clk_wiz (
    .clk_in1 (sys_clk),      // 输入：100MHz
    .clk_out1 (clk_200m),    // 输出 1：200MHz
    .clk_out2 (clk_50m),     // 输出 2：50MHz
    .clk_out3 (clk_25m),     // 输出 3：25MHz
    .locked (pll_locked),    // PLL 锁定标志
    .reset (~rst_n)
);

locked 信号很重要：PLL 上电后需要一段稳定时间（通常几微秒），在 locked 变高之前，输出时钟不稳定，应用 locked 做全局复位使能：

assign sys_rst_n = rst_n & pll_locked; // 只有 PLL 锁定后才释放复位

综合报告解读

打开 Utilization Report

综合或实现完成后，在 Reports 窗口找到：

• Synthesis → Utilization Report（after synthesis）：综合后估算
• Implementation → Utilization Report（after implementation）：实现后准确值

报告示例解读

+----------------------------+-------+-------+------------+-----------+-------+
| Site Type                  | Used  | Fixed | Prohibited | Available | Util% |
+----------------------------+-------+-------+------------+-----------+-------+
| Slice LUTs                 | 312   | 0     | 0          | 63400     | 0.49  |
| LUT as Logic               | 298   | 0     | 0          | 63400     | 0.47  |
| LUT as Memory              | 14    | 0     | 0          | 19000     | 0.07  |
| Slice Registers            | 256   | 0     | 0          | 126800    | 0.20  |
| Register as Flip Flop      | 256   | 0     | 0          | 126800    | 0.20  |
| Block RAM Tile             | 2     | 0     | 0          | 135       | 1.48  |
| RAMB36/FIFO                | 2     | 0     | 0          | 135       | 1.48  |
| DSPs                       | 4     | 0     | 0          | 240       | 1.67  |
+----------------------------+-------+-------+------------+-----------+-------+

资源使用率警戒线

当某类资源接近上限时，需要考虑：更换更大型号的 FPGA，或优化代码减少资源消耗。

关键代码示例

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// 文件名 : resource_demo.v
// 描述 : 演示 LUT/FF/BRAM/DSP 的 Verilog 推断方式
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// ---------- 示例 1：推断单端口同步 BRAM ----------
module sp_bram #(
    parameter DATA_W = 8,
    parameter ADDR_W = 8
)(
    input wire clk,
    input wire we,
    input wire [ADDR_W-1:0] addr,
    input wire [DATA_W-1:0] din,
    output reg [DATA_W-1:0] dout
);
    reg [DATA_W-1:0] mem [0:(1<<ADDR_W)-1];
    always @(posedge clk) begin
        if (we) mem[addr] <= din;
        dout <= mem[addr]; // 同步读 → 推断 BRAM
    end
endmodule

// ---------- 示例 2：推断 DSP 乘累加 ----------
module mac_unit (
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire en,
    input wire signed [15:0] a,
    input wire signed [15:0] b,
    output reg signed [47:0] acc
);
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) acc <= 48'd0;
        else if (en) acc <= acc + ({{16{a[15]}}, a} * {{30{b[15]}}, b}); // 乘法部分推断为 DSP48
    end
endmodule

// ---------- 示例 3：利用 FF CE 端的计数器 ----------
module cnt_with_en (
    input wire clk,
    input wire rst_n,
    input wire en, // 使能，映射到 FF 的 CE 端口
    output reg [7:0] cnt
);
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) cnt <= 8'd0;
        else if (en) cnt <= cnt + 1'b1; // en 会被综合工具优化为 FF 的 CE，节省 LUT
    end
endmodule