FPGA設(shè)計頻率的計算方法

我們的設(shè)計需要多大容量的芯片？我們的設(shè)計能跑多快？這是經(jīng)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(shí)現(xiàn)原型，待原型完成再選用大小合適的芯片實(shí)現(xiàn)。對于后者，我們需要一個比較精確的預(yù)估，我們的設(shè)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，F(xiàn)max 受Tsu ， Tco ， Tlogic 和 Troute 四個參數(shù)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(fā)器的輸出延時

　　Tlogic ： 組合邏輯延時

　　Troute ： 布線延時

　　Tsu ： D 觸發(fā)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(shù)中，由于針對某一個器件Tsu 和Tco 是固定的，因此我們在設(shè)計中需要考慮的參數(shù)只有兩個Tlogic 和Troute.通過良好的設(shè)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(nèi)。達(dá)到我們所要求的Fmax.

　　經(jīng)驗(yàn)表明一個良好的設(shè)計，通常可以將組合邏輯的層次控制在4 層以內(nèi)，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(gòu)成的。是由Logic Cell （ Xilinx ）或 Logic Element（ Altera ）這一種基本結(jié)構(gòu)和連接各個Logic Cell 或Logic Element 的連線資源構(gòu)成。無論是Logic Cell 還是 Logic Element ，排除其各自的特點(diǎn)，取其共性為一個4 輸入的查找表和一個D 觸發(fā)器。如圖（2）所示。而任何復(fù)雜的邏輯都是由此基本單元復(fù)合而成。圖（3）。上一個D 觸發(fā)器的輸出到下一個D 觸發(fā)器的輸入所經(jīng)過的LUT 的個數(shù)就是組合邏輯的層次（ Lut Levels ）。因此，電路中用于實(shí)現(xiàn)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(fù)雜組合邏輯的實(shí)現(xiàn) [!--empirenews.page--]

　　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(shè)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(yè)內(nèi)對布線延時與邏輯延時的統(tǒng)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(jīng)進(jìn)入0.18um 和0.13um 深亞微米的工藝，因此我們?nèi)∵壿嬔訒r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(guī)模的參數(shù)不同，我們選取EP20K400E 和 EP2A15 作代表。
 

　　# 以EP20K400E-3 的數(shù)據(jù)計算得出。

　　## 以 EP2A15-9 的數(shù)據(jù)計算得出。