我們?cè)诒容^FPGA的芯片參數(shù)時(shí)經(jīng)常說(shuō)某一款FPGA是多少萬(wàn)門的，也有的說(shuō)其有多少個(gè)LE，那么二者之間有何關(guān)系呢？

FPGA等效門數(shù)的計(jì)算方法有兩種，一是把FPGA基本單元（如LUT+FF，ESB/BRAM）和實(shí)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(jì)值；二是分別用FPGA和標(biāo)準(zhǔn)門陣列實(shí)現(xiàn)相同的功能，從中統(tǒng)計(jì)出FPGA的等效門數(shù)，這種方法比較多的依賴于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)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(shí)，總原則是等效原則，就是實(shí)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(shí)現(xiàn)一個(gè)帶寄存器輸出的4輸入XOR，在FPGA中需要用一個(gè)LUT和1個(gè)FF實(shí)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)門陣列中一般要用21個(gè)與非門實(shí)現(xiàn)，于是1個(gè)LUT＋1個(gè)FF等效于21個(gè)門。對(duì)ESB（BRAM），由于用標(biāo)準(zhǔn)門陣列實(shí)現(xiàn)1bit的RAM時(shí)一般需要4個(gè)門，因此ESB/BARM 做RAM使用時(shí)，1bit等效4個(gè)門，對(duì)Altera FPGA中一個(gè)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(jì)算出FPGA的等效門數(shù)。因?yàn)檫@只是一種簡(jiǎn)單情況，實(shí)際情況要復(fù)雜很多。

例如，如果實(shí)現(xiàn)的是帶寄存器輸出地2輸入XOR，F(xiàn)PGA也要用1個(gè)LUT＋FF，而標(biāo)準(zhǔn)門陣列只需要8個(gè)NAND，于是1個(gè)LUT+1個(gè)FF只等效于8個(gè)門。同時(shí)特定功能的實(shí)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(jì)算只能是個(gè)大概的數(shù)值。也就是說(shuō)對(duì)于某一具體型號(hào)FPGA的門數(shù)估計(jì)，與FPGA資源的用途有密切關(guān)系。LUT用于實(shí)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(shí)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(shí)，1bit等效4個(gè)門，1個(gè)2048bit的BRAM等效8K門，但是做查找表使用時(shí)可能只相當(dāng)于不到200門。因此估計(jì)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(shuō)明FPGA等效門數(shù)的估計(jì)方法。

圖1 EP20K 系列的等效門數(shù)等參數(shù)

（1）計(jì)算邏輯陣列的等效門數(shù)

估算EP20K1000E的門數(shù)時(shí)，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(duì)FPGA等效門做出估計(jì)。FPGA一個(gè)LUT＋FF等效門數(shù)計(jì)算如圖2所示

圖2 一個(gè)LUT＋FF等效門數(shù)

即LUT＋FF等效于8～21個(gè)門，上限和下限分別由實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)獲得，把超過(guò)100個(gè)針對(duì)4輸入LUT的設(shè)計(jì)用FPGA實(shí)現(xiàn)，同時(shí)用LCA300K gate arrays和Design Compiler實(shí)現(xiàn)，比較相同的設(shè)計(jì)FPGA所用的LE數(shù)目和LCA300K所用的門數(shù)可知，每個(gè)LE相當(dāng)于12個(gè)門。EP20K1000E有38400個(gè)LE，于是相當(dāng)于46萬(wàn)門。

（2）計(jì)算ESB的等效門數(shù)

RAM中一個(gè)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(gè)門，Altera也采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以方便地估計(jì)ESB等效門數(shù)。

計(jì)算ESB等效門數(shù)也可以采用和LSI LCA300K比較的方法，即通過(guò)與實(shí)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(jì)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(jiàn)，4gates/bit是一個(gè)比較合適的估計(jì)，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(wàn)門。

總而言之，對(duì)EP20K1000E，LUT+FF等效門數(shù)約為46萬(wàn)（經(jīng)驗(yàn)數(shù)值），ESB全用作RAM時(shí)等效門數(shù)約為130萬(wàn)，所以最大系統(tǒng)門數(shù)為170萬(wàn)。

結(jié)論：

FPGA等效門數(shù)估計(jì)方法可以是把FPGA資源基本單元（如LUT+FF，ESB）和實(shí)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(gè)數(shù)得到整個(gè)FPGA等效門數(shù)。也可以是實(shí)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)，和用標(biāo)準(zhǔn)門陣列相比，從中統(tǒng)計(jì)出等效門數(shù)。FPGA的等效門數(shù)估計(jì)一般分為L(zhǎng)UT+FF和ESB（BRAM）兩部分，LUT＋FF等效于8～21個(gè)門，典型值為12；ESB做RAM使用時(shí)，一般相當(dāng)于4門/bit，此時(shí)估計(jì)出的門數(shù)最多，如果ESB做乘積項(xiàng)/LUT則等效門數(shù)大大減小，例如對(duì)EP20K1000E，前者為130萬(wàn)，后者為2萬(wàn)。