FPGA設計頻率計算方法

我們的設計需要多大容量的芯片？我們的設計能跑多快？這是經常困擾工程師的兩個問題。對于前一個問題，我們可能還能先以一個比較大的芯片實現原型，待原型完成再選用大小合適的芯片實現。對于后者，我們需要一個比較精確的預估，我們的設計能跑50M，100M還是133M？首先讓我們先來看看Fmax是如何計算出來的。

圖（1）是一個通用的模型用來計算FPGA的。我們可以看出，Fmax受Tsu，Tco，Tlogic和Troute四個參數影響。（由于使用FPGA全局時鐘，時鐘的抖動在這里不考慮）。

時鐘周期T = Tco + Tlogic + Troute + Tsu

時鐘頻率Fmax = 1/Tmax

其中：

Tco：D觸發器的輸出延時

Tlogic：組合邏輯延時

Troute：布線延時

Tsu：D觸發器的建立時間

圖（1）時鐘周期的計算模型

由圖（1）可以看出，在影響Fmax的四個參數中，由于針對某一個器件Tsu和Tco是固定的，因此我們在設計中需要考慮的參數只有兩個Tlogic和Troute.通過良好的設計以及一些如Pipeline的技巧，我們可以把Tlogic和Troute控制在一定的范圍內。達到我們所要求的Fmax.

經驗表明一個良好的設計，通常可以將組合邏輯的層次控制在4層以內，即（Lut Levels《=4）。而Lut Levels（組合邏輯的層次）將直接影響Tlogic和Troute的大小。組合邏輯的層次多，則Tlogic和Troute的延時就大，反之，組合邏輯的層次少，則Tlogic和Troute的延時就小。

讓我們回過頭來看看Xilinx和Altera的FPGA是如何構成的。是由Logic Cell（Xilinx）或Logic Element（Altera）這一種基本結構和連接各個Logic Cell或Logic Element的連線資源構成。無論是Logic Cell還是Logic Element，排除其各自的特點，取其共性為一個4輸入的查找表和一個D觸發器。如圖（2）所示。而任何復雜的邏輯都是由此基本單元復合而成。圖（3）。上一個D觸發器的輸出到下一個D觸發器的輸入所經過的LUT的個數就是組合邏輯的層次（Lut Levels）。因此，電路中用于實現組合邏輯的延時就是所有Tlut的總和。在這里取Lut Levels = 4.故Tlogic = 4 * Tlut.

圖（2）FPGA基本邏輯單元

圖（3）復雜組合邏輯的實現

解決的Tlogic以后，我們來看看Troute如何來計算。由于Xilinx和Altera在走線資源的設計上并不一樣，并且Xilinx沒有給出布線延時的模型，因此更難于分析，不過好在業內對布線延時與邏輯延時的統計分析表明，邏輯延時與布線延時的比值約為1：1到1：2.由于我們所選用的芯片大量的已經進入0.18um和0.13um深亞微米的工藝，因此我們取邏輯延時與布線延時的比值為1：2.

Troute = 2 * Tlogic

Tmax = Tco + Tlogic + Troute + Tsu

= Tco + Tsu + 3 * Tlogic

= Tco + Tsu + 12 * Tlut

下表是我們常用的一些Xilinx和Altera器件的性能估算。我們選取的是各個系列中的最低的速度等級。由于Altera的APEX，APEX II系列器件的不同規模的參數不同，我們選取EP20K400E和EP2A15作代表。

　# 以EP20K400E-3 的數據計算得出。

　　## 以 EP2A15-9 的數據計算得出。