FPGA设计频率计算方法

我们的设计需要多大容量的芯片？我们的设计能跑多快？这是经常困扰工程师的两个问题。对于前一个问题，我们可能还能先以一个比较大的芯片实现原型，待原型完成再选用大小合适的芯片实现。对于后者，我们需要一个比较精确的预估，我们的设计能跑50M，100M还是133M？首先让我们先来看看Fmax是如何计算出来的。

图（1）是一个通用的模型用来计算FPGA的。我们可以看出，Fmax受Tsu，Tco，Tlogic和Troute四个参数影响。（由于使用FPGA全局时钟，时钟的抖动在这里不考虑）。

时钟周期T = Tco + Tlogic + Troute + Tsu

时钟频率Fmax = 1/Tmax

其中：

Tco：D触发器的输出延时

Tlogic：组合逻辑延时

Troute：布线延时

Tsu：D触发器的建立时间

图（1）时钟周期的计算模型

由图（1）可以看出，在影响Fmax的四个参数中，由于针对某一个器件Tsu和Tco是固定的，因此我们在设计中需要考虑的参数只有两个Tlogic和Troute.通过良好的设计以及一些如Pipeline的技巧，我们可以把Tlogic和Troute控制在一定的范围内。达到我们所要求的Fmax.

经验表明一个良好的设计，通常可以将组合逻辑的层次控制在4层以内，即（Lut Levels《=4）。而Lut Levels（组合逻辑的层次）将直接影响Tlogic和Troute的大小。组合逻辑的层次多，则Tlogic和Troute的延时就大，反之，组合逻辑的层次少，则Tlogic和Troute的延时就小。

让我们回过头来看看Xilinx和Altera的FPGA是如何构成的。是由Logic Cell（Xilinx）或Logic Element（Altera）这一种基本结构和连接各个Logic Cell或Logic Element的连线资源构成。无论是Logic Cell还是Logic Element，排除其各自的特点，取其共性为一个4输入的查找表和一个D触发器。如图（2）所示。而任何复杂的逻辑都是由此基本单元复合而成。图（3）。上一个D触发器的输出到下一个D触发器的输入所经过的LUT的个数就是组合逻辑的层次（Lut Levels）。因此，电路中用于实现组合逻辑的延时就是所有Tlut的总和。在这里取Lut Levels = 4.故Tlogic = 4 * Tlut.

图（2）FPGA基本逻辑单元

图（3）复杂组合逻辑的实现

解决的Tlogic以后，我们来看看Troute如何来计算。由于Xilinx和Altera在走线资源的设计上并不一样，并且Xilinx没有给出布线延时的模型，因此更难于分析，不过好在业内对布线延时与逻辑延时的统计分析表明，逻辑延时与布线延时的比值约为1：1到1：2.由于我们所选用的芯片大量的已经进入0.18um和0.13um深亚微米的工艺，因此我们取逻辑延时与布线延时的比值为1：2.

Troute = 2 * Tlogic

Tmax = Tco + Tlogic + Troute + Tsu

= Tco + Tsu + 3 * Tlogic

= Tco + Tsu + 12 * Tlut

下表是我们常用的一些Xilinx和Altera器件的性能估算。我们选取的是各个系列中的最低的速度等级。由于Altera的APEX，APEX II系列器件的不同规模的参数不同，我们选取EP20K400E和EP2A15作代表。

　# 以EP20K400E-3 的数据计算得出。

　　## 以 EP2A15-9 的数据计算得出。