FPGA门数的计算方法

我们在比较FPGA的芯片参数时经常说某一款FPGA是多少万门的，也有的说其有多少个LE，那么二者之间有何关系呢？

FPGA等效门数的计算方法有两种，一是把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（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。因此估计FPGA的等效门数需要做更细致的分析。

图1显示了EP20K系列的等效门数等参数，下面以EP20K1000E为例详细说明FPGA等效门数的估计方法。

图1 EP20K 系列的等效门数等参数

（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。FPGA一个LUT＋FF等效门数计算如图2所示

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。

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。

（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，参考图3。

图3 ESB的等效门数

从上图可见，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。

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。