基于FMC標準的FPGA夾層卡I/O設計與分析

面對似乎層出不窮的新 I/O 標準，目前嵌入式系統設計人員繼續依靠 FPGA 來(lái)部署系統日益重要的外部 I/O 接口，這點(diǎn)絲毫不足為奇。FPGA 可提供大量可配置的 I/O，能在適當 IP 基礎上支持幾乎無(wú)限多種高度復雜的 I/O 標準。設計人員還能用 FPGA 執行流內 (in-stream) 數據處理，甚至以數千兆位級信號傳輸速率和帶寬運行的協(xié)議。

　　FPGA 能夠靈活適應 I/O 要求變化。FPGA 經(jīng)重配置(除了替換物理 I/O 組件和連接器外基本無(wú)需其它更改)后，便可部署新的協(xié)議。如果 I/O 不是實(shí)施在夾層模塊上的話(huà)，那么這就意味著(zhù)需要修改板的設計。為了避免設計更改造成成本和工作量的增加，設計人員以前一直采用 PCI 夾層卡 (PMC) 和交換夾層卡 (XMC) 標準。不過(guò)，上述標準是十多年前針對單板計算機 (SBC) 等通用解決方案而并非 FPGA 開(kāi)發(fā)的。2008 年 7 月，情況發(fā)生了變化，美國國家標準學(xué)會(huì ) (ANSI) 批準發(fā)布了 VITA 57 FPGA 夾層卡 (FMC) 標準。

　　FMC 標準由包括 FPGA 廠(chǎng)商和最終用戶(hù)在內的公司聯(lián)盟開(kāi)發(fā)，旨在為基礎板(載卡)上的 FPGA 提供標準的夾層卡尺寸、連接器和模塊接口。通過(guò)這種方式將 I/O 接口與 FPGA 分離，不僅簡(jiǎn)化了 I/O 接口模塊設計，同時(shí)還最大化了載卡的重復利用率。與使用 PCI、PCI-X、PCIe 或 Serial RapidIO 等復雜接口連接到載卡的 PMC 和 XMC 標準不同，FMC 標準只要求核心 I/O收發(fā)器電路直接連接至載卡上的 FPGA 即可。

　　這樣做能夠提高效率，進(jìn)而帶來(lái)諸多顯著(zhù)優(yōu)勢：

　　數據吞吐量：支持高達 10 Gb/s 的信號傳輸速率，夾層卡和載卡之間潛在總帶寬達 40 Gb/s。

　　時(shí)延：消除了協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，避免了時(shí)延問(wèn)題，確保確定性數據交付。

　　簡(jiǎn)化設計：無(wú)需了解 PCI、PCI Express 或 Serial RapidIO 等協(xié)議標準的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。

　　系統開(kāi)銷(xiāo)：通過(guò)簡(jiǎn)化系統設計降低了功耗，縮短了工程設計時(shí)間，并縮減了IP 核及材料成本。

　　設計重復使用：不管是采用定制的內部板設計還是商用成品 (COTS) 夾層卡或載卡，FMC 標準有助于將現有的 FPGA / 載卡設計重新用到新的 I/O 上，而這只需更換 FMC 模塊并對 FPGA 設計略作調整即可。

　　FMC 標準的亮點(diǎn)

　　FMC標準定義了單寬度(69 毫米 x 76.5 毫米) 和雙寬度(139 毫米 x 76.5 毫米)兩種尺寸。單寬度模塊支持到載卡的單個(gè)連接器。雙寬度模塊主要面向需要更高帶寬、更大前面板空間或較大PCB 面積的應用，支持多達兩個(gè)連接器。FMC 標準提供兩種尺寸，能夠更加靈活地根據空間、I/O 要求或者這兩者的要求對板進(jìn)行精心優(yōu)化。圖 1 給出了 FMC 載卡及多種 FMC 夾層卡示意圖。

　　圖 1：FMC 載卡和多種 FMC 夾層卡