FPGA等效门数的计算方法

1. 把FPGA 基本单元（如LUT+FF，ESB/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) n$ h/ I/ i) Q' e7 D
可以得到FPGA 门数估计值；
2. 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0 s$ Q9 J" F$ O5 |; y
法比较多的依赖于经验数据。+ w. n# K$ U6 [: h! _% x4 F: l
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，& U; k. |- e* d9 {5 E5 z
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LUT 和1 个FF 实现，在
标准门阵列中一般要用21 个与非门实现，于是1 个LUT＋1 个FF 等效于21 个门。对ESB" ?& W8 N( J* Q5 ]7 \3 _9 R' H
（BRAM），由于用标准门阵列实
现1bit 的RAM 时一般需要4 个门，因此ESB/BARM 做RAM 使用时，1bit 等效4 个门，
对Altera FPGA 中一个2048bit 的ESB，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2 a) \) x+ ^0 a0 q) G6 ?
的是带寄存器输出地2 输入XOR，FPGA 也要用1 个LUT＋FF，而标准门阵列只需要8 个. i: G( h7 U) f$ s% ]/ |
NAND，于是1 个LUT+1 个FF 只等效于8 个门。同时特定功能的实现，在不同的标准门阵  g( w, ?6 r9 w* {. P3 y  [
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。也就是说对于某一7 U+ N/ ^! Z. C* ]
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XOR
和4 输入XOR 等效门数不一样（分别为1 和13）；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8 和13）；ESB（BRAM）做RAM 使用时，1bit 等效4 个( I/ c* G- o: b% ^% ?! |  b7 P% q
门，1 个2048bit 的BRAM 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9 J* X, G7 ]* [1 u7 l! m0 D, v: z
估计FPGA 的等效门数需要做更细致的分析。8 l1 h) X, `7 }# D6 `
图1 显示了EP20K 系列的等效门数等参数% g0 U& `( N) X  h/ [
Feature                                EP20K1000E
Typical Gates                           1,000,000
Maximum System Gate                     1,770,000# B7 B" [/ {% `
Logic Elements                           38,4004 C7 i# }/ w9 `! C
Embedded System Blocks                   160$ }9 Q# A$ z6 P# M3 l. R1 u
Maximum RAM Bits                         327,680
Maximum Macrocells                       2,560
Maximum I/O Pins                         716$ C# k1 U5 s, ?8 {; U' k
图1 EP20K 系列的等效门数
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& s9 o9 b! X& ?- U) c
LCA300K Data Book）比较，可以对FPGA 等效门做出估计。FPGA 一个LUT＋FF 等效门数
计算如图2 所示2 P: y; Q$ ]$ L. L0 ~+ }  m$ a
Implementations             APEX 20K  LUT      LSI Gates     APEX 20K Register  LSI Gates  Total% j" R  a7 t' z5 ?: _
Simple LCA300K function   Two input AND gate     1            D-Type Flipflop       7         8
Complex LCA300K function   Four XOR gate          13       D-Type Flipflop with     8         21, w+ l6 W' z9 C+ |% }+ ]
                                                         clear, present and clock3 a1 o3 a4 _: }3 N; M& y; y2 f
                                                          enable signal
图2 一个LUT＋FF 等效门数
即LUT＋FF 等效于8～21 个门，上限和下限分别由实现简单函数、复杂函数分别界定。! ^, }9 y' v( i- K. f  Z
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 arrays 和Design Compiler 实现，比较相同的设计FPGA 所" `8 O. X# M* b0 ]& D
用的LE 数目和LCA300K 所用的门数可知，每个LE 相当于12 个门。EP20K1000E 有38400
个LE，于是相当于46 万门。3 P4 K, U$ C7 g$ M* f
2．计算ESB 的等效门数: r( r6 O4 J1 F0 Y
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8 w3 v& |* F0 U7 l2 h/ N, d
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，参考图3。8 E& ~- m- a* V  w
Memory Function                  Gates                     Gates per Bit- `& I& F" f" K1 Z( N* m; R: G
128×8 single-port SRAM          4,620                            4.5! |" t/ ~+ G% `4 V) B& V
128×16 single-port SRAM         7,980                            3.9- j& O4 u7 V; r0 \
128×32 single-port SRAM         14,700                           3.6
128×16 dual-port SRAM           8,300                            4.1$ U/ P9 y6 E8 ~: d. W9 L/ H
128×32 dual-port SRAM           14,910                           63.6/ W; b* L# w1 ~) i- G$ y* n
图3 ESB 的等效门数% A  l" w  M" p- ~5 L# B
从上表可见，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。: L0 Q6 p/ C  v" H$ ^
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- A( V/ u8 t: \* l0 ?' l/ S7 d
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- {7 h3 L% [4 w( S
2 万。