FPGA 等效门数的计算方法有两种：
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可以得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 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
Feature EP20K1000E<br> Typical Gates 1,000,000<br> Maximum System Gate 1,770,000<br> Logic Elements 38,400<br> Embedded System Blocks 160<br> Maximum RAM Bits 327,680<br> Maximum Macrocells 2,560<br> Maximum I/O Pins 716
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<br> 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 Implementations APEX 20K LUT LSI Gates APEX 20K Register LSI Gates Total<br> 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 clear, present and clock<br> 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。 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。
Memory Function Gates Gates per Bit 128×8 single-port SRAM 4,620 4.5 128×16 single-port SRAM 7,980 3.9 128×32 single-port SRAM 14,700 3.6 128×16 dual-port SRAM 8,300 4.1 128×32 dual-port SRAM 14,910 63.6
图3 ESB 的等效门数从上表可见，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。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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