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[转帖] 关于FPGA逻辑门计算

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助理工程师

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发表于 2019-1-15 14:37:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
FPGA等效门数的计算方法有两种,一是把FPGA基本单元(如LUT+FFESB/BRAM)和实现相同功能的标准门阵列比较,门阵列中包含的门数即为该FPGA基本单元的等效门数,然后乘以基本单元的数目就可以得到FPGA门数估计值;二是分别用FPGA和标准门阵列实现相同的功能,从中统计出FPGA的等效门数,这种方法比较多的依赖于经验数据。
对于第一种方法,FPGA包括LUT/FF/RAM等资源,分析各种资源等效门数时,总原则是等效原则,就是实现相同的功能,在标准门阵列中需要的门数就是FPGA该资源等效门数,例如实现一个带寄存器输出的4输入XOR,在FPGA中需要用一个LUT1FF实现,在标准门阵列中一般要用21个与非门实现,于是1LUT1FF等效于21个门。
ESBBRAM),由于用标准门阵列实现1bitRAM时一般需要4个门,因此ESB/BARM RAM使用时,1bit等效4个门,对Altera FPGA中一个2048bitESB,等效门数为8K。光靠这些数据还不能比较准确地计算出FPGA的等效门数。因为这只是一种简单情况,实际情况要复杂很多。
例如,如果实现的是带寄存器输出地2输入XORFPGA也要用1LUTFF,而标准门阵列只需要8NAND,于是1LUT+1FF只等效于8个门。同时特定功能的实现,在不同的标准门阵列系列中需要的门数也不一样,因此等效门的计算只能是个大概的数值。 也就是说对于某一具体型号FPGA的门数估计,与FPGA资源的用途有密切关系。LUT用于实现2输入XOR4输入XOR等效门数不一样(分别为113);FF不带异步清零、复位、时钟使能和带这些端口的等效门数不同(分别为813);ESBBRAM)做RAM使用时,1bit等效4个门,12048bitBRAM等效8K门,但是做查找表使用时可能只相当于不到200门。因此估计FPGA的等效门数需要做更细致的分析。
下面以EP20K1000E为例详细说明FPGA等效门数的估计方法。
1)计算逻辑阵列的等效门数
估算EP20K1000E的门数时,把FPGA特定资源和LCA300K标准逻辑阵列的门数(LSI LCA300K Data Book)比较,可以对FPGA等效门做出估计。
LUTFF等效于821个门,上限和下限分别由实现简单函数、复杂函数分别界定。
APEX20K的等效门数也可以根据经验数据获得,把超过100个针对4输入LUT的设计用FPGA实现,同时用LCA300K gate arraysDesign Compiler实现,比较相同的设计FPGA所用的LE数目和LCA300K所用的门数可知,每个LE相当于12个门。EP20K1000E38400LE,于是相当于46万门。
2)计算ESB的等效门数RAM中一个bit所需要的门数与RAM的体系结构、工艺、厂商等有关,一般而言,1bit相当于4个门,Altera也采用这个标准,这样可以方便地估计ESB等效门数。计算ESB等效门数也可以采用和LSI LCA300K比较的方法,即通过与实现相同容量RAM在LCA300K所用的门数相比较,从而得到ESB的每一bit相当于多少门,从而计算出ESB的等效门数。
4gates/bit是一个比较合适的估计,于是EP20K1000E的ESB等效门数为
160 ESBs X 2,048 bits per ESB X 4 gates per bit = 1,310,720 gates,即约为130万门。
总而言之,对EP20K1000E,LUT+FF等效门数约为46万(经验数值),ESB全用作RAM时等效门数约为130万,所以最大系统门数为170万。
结论:
FPGA等效门数估计方法可以是把FPGA资源基本单元(如LUT+FF,ESB)和实现相同功能的标准门阵列相比得到FPGA基本单元等效的门数,然后乘以单元的个数得到整个FPGA等效门数。也可以是实现很多设计,和用标准门阵列相比,从中统计出等效门数。
FPGA的等效门数估计一般分为LUT+FF和ESB(BRAM)两部分,LUT+FF等效于8~21个门,典型值为12;ESB做RAM使用时,一般相当于4门/bit,此时估计出的门数最多,如果ESB做乘积项/LUT则等效门数大大减小,例如对EP20K1000E,前者为130万,后者为2万。

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