FPGA門數(shù)的計算方法

我們在比較FPGA的芯片參數(shù)時經(jīng)常說某一款FPGA是多少萬門的，也有的說其有多少個LE，那么二者之間有何關(guān)系呢？

FPGA等效門數(shù)的計算方法有兩種，一是把FPGA基本單元（如LUT+FF，ESB/BRAM）和實現(xiàn)相同功能的標(biāo)準(zhǔn)門陣列比較，門陣列中包含的門數(shù)即為該FPGA基本單元的等效門數(shù)，然后乘以基本單元的數(shù)目就可以得到FPGA門數(shù)估計值；二是分別用FPGA和標(biāo)準(zhǔn)門陣列實現(xiàn)相同的功能，從中統(tǒng)計出FPGA的等效門數(shù)，這種方法比較多的依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

對于第一種方法，F(xiàn)PGA包括LUT/FF/RAM等資源，分析各種資源等效門數(shù)時，總原則是等效原則，就是實現(xiàn)相同的功能，在標(biāo)準(zhǔn)門陣列中需要的門數(shù)就是FPGA該資源等效門數(shù)，例如實現(xiàn)一個帶寄存器輸出的4輸入XOR，在FPGA中需要用一個LUT和1個FF實現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)門陣列中一般要用21個與非門實現(xiàn)，于是1個LUT＋1個FF等效于21個門。對ESB（BRAM），由于用標(biāo)準(zhǔn)門陣列實現(xiàn)1bit的RAM時一般需要4個門，因此ESB/BARM 做RAM使用時，1bit等效4個門，對Altera FPGA中一個2048bit的ESB，等效門數(shù)為8K。光靠這些數(shù)據(jù)還不能比較準(zhǔn)確地計算出FPGA的等效門數(shù)。因為這只是一種簡單情況，實際情況要復(fù)雜很多。

例如，如果實現(xiàn)的是帶寄存器輸出地2輸入XOR，F(xiàn)PGA也要用1個LUT＋FF，而標(biāo)準(zhǔn)門陣列只需要8個NAND，于是1個LUT+1個FF只等效于8個門。同時特定功能的實現(xiàn)，在不同的標(biāo)準(zhǔn)門陣列系列中需要的門數(shù)也不一樣，因此等效門的計算只能是個大概的數(shù)值。也就是說對于某一具體型號FPGA的門數(shù)估計，與FPGA資源的用途有密切關(guān)系。LUT用于實現(xiàn)2輸入XOR和4輸入XOR等效門數(shù)不一樣（分別為1和13）；FF不帶異步清零、復(fù)位、時鐘使能和帶這些端口的等效門數(shù)不同（分別為8和13）；ESB（BRAM）做RAM使用時，1bit等效4個門，1個2048bit的BRAM等效8K門，但是做查找表使用時可能只相當(dāng)于不到200門。因此估計FPGA的等效門數(shù)需要做更細(xì)致的分析。

圖1顯示了EP20K系列的等效門數(shù)等參數(shù)，下面以EP20K1000E為例詳細(xì)說明FPGA等效門數(shù)的估計方法。

圖1 EP20K 系列的等效門數(shù)等參數(shù)

（1）計算邏輯陣列的等效門數(shù)

估算EP20K1000E的門數(shù)時，把FPGA特定資源和LCA300K標(biāo)準(zhǔn)邏輯陣列的門數(shù)（LSI LCA300K Data Book）比較，可以對FPGA等效門做出估計。FPGA一個LUT＋FF等效門數(shù)計算如圖2所示

圖2 一個LUT＋FF等效門數(shù)

即LUT＋FF等效于8～21個門，上限和下限分別由實現(xiàn)簡單函數(shù)、復(fù)雜函數(shù)分別界定。

APEX20K的等效門數(shù)也可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)獲得，把超過100個針對4輸入LUT的設(shè)計用FPGA實現(xiàn)，同時用LCA300K gate arrays和Design Compiler實現(xiàn)，比較相同的設(shè)計FPGA所用的LE數(shù)目和LCA300K所用的門數(shù)可知，每個LE相當(dāng)于12個門。EP20K1000E有38400個LE，于是相當(dāng)于46萬門。

（2）計算ESB的等效門數(shù)

RAM中一個bit所需要的門數(shù)與RAM的體系結(jié)構(gòu)、工藝、廠商等有關(guān)，一般而言，1bit相當(dāng)于4個門，Altera也采用這個標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以方便地估計ESB等效門數(shù)。

計算ESB等效門數(shù)也可以采用和LSI LCA300K比較的方法，即通過與實現(xiàn)相同容量RAM在LCA300K所用的門數(shù)相比較，從而得到ESB的每一bit相當(dāng)于多少門，從而計算出ESB的等效門數(shù)，參考圖3。

圖3 ESB的等效門數(shù)

從上圖可見，4gates/bit是一個比較合適的估計，于是EP20K1000E的ESB等效門數(shù)為

160 ESBs X 2,048 bits per ESB X 4 gates per bit = 1,310,720 gates，即約為130萬門。

總而言之，對EP20K1000E，LUT+FF等效門數(shù)約為46萬（經(jīng)驗數(shù)值），ESB全用作RAM時等效門數(shù)約為130萬，所以最大系統(tǒng)門數(shù)為170萬。

結(jié)論：

FPGA等效門數(shù)估計方法可以是把FPGA資源基本單元（如LUT+FF，ESB）和實現(xiàn)相同功能的標(biāo)準(zhǔn)門陣列相比得到FPGA基本單元等效的門數(shù)，然后乘以單元的個數(shù)得到整個FPGA等效門數(shù)。也可以是實現(xiàn)很多設(shè)計，和用標(biāo)準(zhǔn)門陣列相比，從中統(tǒng)計出等效門數(shù)。FPGA的等效門數(shù)估計一般分為LUT+FF和ESB（BRAM）兩部分，LUT＋FF等效于8～21個門，典型值為12；ESB做RAM使用時，一般相當(dāng)于4門/bit，此時估計出的門數(shù)最多，如果ESB做乘積項/LUT則等效門數(shù)大大減小，例如對EP20K1000E，前者為130萬，后者為2萬。