FMC+標準將嵌入式設計推到全新的高度

　　作為使用 FPGA 和高速 I/O 的嵌入式計算設計的重要發(fā)展，名為 FMC+ 的最新夾層卡標準將把卡中的千兆位收發(fā)器（GT）的總數量從 10 個(gè)擴展到 32 個(gè)，最大數據速率從 10Gbps 提升到 28Gbps，同時(shí)保持與當前 FMC 標準實(shí)現向后兼容。

　　這些功能與使用 JESD204B 串行接口標準的新器件以及 10G 和 40G 光學(xué)器件及高速串行存儲器也非常吻合。FMC+ 可滿(mǎn)足最具挑戰性的 I/O 要求，為開(kāi)發(fā)人員提供了雙重優(yōu)勢：夾層卡的靈活性，以及單芯片設計的高 I/O 密度。

　　FMC+ 規范是在去年制定和細化的。VITA 57.4 工作組已經(jīng)批準該規范并將在 2016 年初提交 ANSI 投票。下面詳細介紹一下這一重要的新標準，了解其對高級嵌入式設計的影響。

　　夾層卡的優(yōu)勢

　　夾層卡是一種為嵌入式系統添加特定功能的有效且廣泛使用的方法。因為夾層卡是連接在基礎卡或載卡上，而不是直接插在

　　2016 年第 1 季度 賽靈思中國通訊 第 53 頁(yè)

　　背板上，夾層卡可以輕松更換。對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)既能夠靈活配置，又可以輕松升級。但由于連接問(wèn)題或安裝到開(kāi)發(fā)板上需占用額外的空間，這種靈活性往往會(huì )以犧牲功能為代價(jià)。

　　對于 FPGA，主要的開(kāi)放標準是 ANSI/VITA 57.1，也稱(chēng)之為 FPGA 夾層卡 （FMC） 規范。最新標準 FMC+（更正式的說(shuō)法，即 VITA 57.4）通過(guò)大幅增強千兆位串行接口的功能，擴展了現有 FMC 標準的功能。

　　與單芯片解決方案相比，FMC+ 能解決基于夾層卡的 I/O 的許多不足，同時(shí)提供更高的靈活性和性能。同時(shí) FMC+ 標準具有后向兼容，符合 FMC 的發(fā)展歷史并滿(mǎn)足其用戶(hù)群體需求。

　　該 FMC 標準定義的是一種小型夾層卡，其高度和寬度類(lèi)似于久成熟的 XMC 或 PMC，但長(cháng)度只有其一半。這意味著(zhù) FMC 與開(kāi)放標準格式相比，組件板級空間更小。但 FMC 不需要往往占用大量板級空間的總線(xiàn)接口，例如 PCI-X。作為替代，FMC 使用供電要求較為簡(jiǎn)單的直連 I/O 與主控 FPGA 通信。這意味著(zhù)雖然尺寸更小，但 FMC 實(shí)際上

　　有比它們的 XMC 同等產(chǎn)品更大的 I/O 容量和 PMC 和 XMC 規范一樣，FMC 和 FMC+ 也同時(shí)提供空氣冷卻和傳導冷卻兩種選擇，因此商業(yè)和軍用市場(chǎng)各自需求的普通和耐用型應用都能適用。

　　FMC 規范解析起來(lái)相當簡(jiǎn)單。該標準為高引腳數（HPC）設計可提供多達 160 個(gè)單端或 80 個(gè)差分并聯(lián) I/O 信號，為低引腳數 （LPC） 設計提供一半數量的 I/O 信號?？梢栽O置多達 10 個(gè)全雙工 GT 連接。這些 GT 適用于光纖或其他串行接口。此外，FMC 規范還定義了關(guān)鍵的時(shí)鐘信號。所有這些 I/O 都是可選的，雖然大部分主機現在支持完全連接。

　　FMC 規范還定義了多種電源輸入，雖然夾層卡定義的是由主機供電。這種方法的工作方式是先給夾層卡部分供電，這樣主機就能夠詢(xún)問(wèn) FMC，然后 FMC 通過(guò)為 VADJ 定義電壓范圍來(lái)做出響應。如果主機能夠提供該電壓范圍，則一切順利進(jìn)行。不在夾層卡上設主電源調整既能節省空間，又能降低夾層卡的功耗。

　　用于模擬 I/O 的 FMC

　　設計人員可將 FMC 用作任何用戶(hù)想連接到 FPGA 的功能，例如數字 I/O、光纖、

　　控制接口、存儲器或附加處理。但模擬 I/O 仍然是 FMC 技術(shù)最常見(jiàn)的用途。FMC 規范適用于相當大范圍的快速高精度 I/O，但也需要權衡使用，尤其是對使用并行接口的高速部件來(lái)說(shuō)。

　　例如德州儀器的 ADC12D2000RF 雙通道 2 Gsps 12 位 ADC 使用 1:4 復用總線(xiàn)接口，因此該總線(xiàn)速度對主控 FPGA 來(lái)說(shuō)不算過(guò)快。數字數據接口單獨需要 96 個(gè)信號（48 個(gè) LVDS 對）。對這種級別的器件，FMC 只能支持一個(gè)此類(lèi)器件，即便有足夠的空間容納更多器件，但 FMC 的上限是 160 個(gè)信號。較低精度器件就算是工作在較高速度下，例如那些工作在 8 位數據通道上的器件，即便換衡器、放大器、時(shí)鐘等提出更高的前端模擬耦合要求，也可以允許更多通道數量。

　　對使用并行接口，運行速度在 5 Gsps 或 6 Gsps（吞吐量大于 50Gbps），精度大于 8 位的模擬接口，FMC 規范開(kāi)始無(wú)法應對。站在市場(chǎng)的角度，從通道密度、速度和精度來(lái)看，主流 FMC 的吞吐量在 25-50 Gbps 之間。這樣的性能水平是物理封裝尺寸與到主控 FPGA 的可用連接權衡的結果。

　　除了并行連接，FMC 規范還支持多達 10 個(gè)雙工高速串行（GT）鏈路。

　　圖 1 - FMC 借助 JESD204B 縮小封裝帶來(lái)的影響

　　圖 1 - FMC 借助 JESD204B 縮小封裝帶來(lái)的影響.

　　這些接口對光纖 I/O、以太網(wǎng)、混合存儲立方體 （HMC） 和 Bandwidth Engine 等新興技術(shù)以及使用 JESD204B 接口的新一代模擬 I/O 器件有用。

　　JESD204B 到來(lái)

　　雖然 JESD204 串行接口標準（目前為修訂版“B”）問(wèn)世已有一段時(shí)間，直到最近它才被市場(chǎng)廣泛采用，成為新一代高采樣率數據轉換器的串行接口標配。這種廣泛采用背后的推動(dòng)力來(lái)自電信行業(yè)對更小型化、更低功耗和更低成本器件的渴求。

　　如前文所述，采用并行接口的雙通道 2 Gsps、12 位 ADC 需要大量的 I/O 信號。這一要求直接影響到封裝尺寸。在本例中要求使用 292 引腳封裝，尺寸大致為 27x27mm（雖然下一代引腳幾何結構能讓封裝尺寸縮小到不足 20x20mm）。

　　而采用 JESD204B 連接的同等器件可以采用 68 引腳、10x10mm 封裝，同時(shí)功耗更低。

　　這種封裝尺寸的大幅縮減與不斷演進(jìn)的 FPGA 形成良好的搭配，因為 FPGA 正在提供數量不斷增長(cháng)、速度不斷提升的 GT 鏈路。圖 1 所示的是封裝尺寸和 FMC/FMC+ 開(kāi)發(fā)板尺寸的示例。

　　根據采樣率要求的數據吞吐能量、精度和模擬 I/O 通道數量，典型的使用 JESD204B 接口的高速 ADC 和 DAC 有 1-8 個(gè)工作在 3-12Gbps 速率上的 GT 鏈路。

　　FMC 規范定義的是尺寸相對較小的夾層卡，但隨著(zhù) JESD204B 器件的興起，可用板級空間內能夠容納更多部件。FMC 規范定義的最多 10 個(gè) GT 鏈路是一個(gè)可用的數量。就是這有限數量的 GT 鏈路只需使用并行 I/O 所需引腳數量的一部分，就能夠提供 80 Gbps乃至更高的吞吐量。

　　使用 JESD204B 等接口的串行連接 I/O 器件的興起，確實(shí)給電子戰的部分細分應用帶來(lái)了不足，例如數字化射頻存儲器 （DRFM）。因數據流水線(xiàn)較長(cháng)，串行接口不可避免地會(huì )帶來(lái)更大的

　　時(shí)延。對 DRFM 應用來(lái)說(shuō)，數據輸入到數據輸出之間的時(shí)延是一個(gè)根本性的性能參數。雖然各種串行連接器件之間的時(shí)延往往有很大不同，新一代器件會(huì )讓數據以越來(lái)越快的速度穿過(guò)流水線(xiàn)，其中部分器件有望具備調節流水線(xiàn)深度的能力。究竟能實(shí)現多大的改進(jìn)，仍有待觀(guān)望。

　　今天部分采樣率大于 1Gbps 的標準 ADC 器件的時(shí)延低于 100 ns。其他應用能夠容忍這一時(shí)延，或忽略不計，包括軟件定義射頻 （SDR）、雷達告警接收器和其他信號情報 （SIGINT） 細分領(lǐng)域。在大眾市場(chǎng)化電信基礎設施的推動(dòng)下，新一代 RF ADC 和 DAC 技術(shù)得到了廣泛使用，這些應用也因此獲得了顯著(zhù)優(yōu)勢。

　　在 FPGA 社區之外，新一代 DSP 器件也在開(kāi)始采用 JESD204B。但是 FPGA 很有可能仍然能夠占據最能充分發(fā)揮寬帶模擬 I/O 器件功能的位置。這是因為 FPGA 能以更優(yōu)異的并行性處理巨大的數據量。

　　圖 2 - FMC 與 FMC+ 數字化器的吞吐能量對比

　　FMC+ 的演進(jìn)

　　為將 FMC 提升到全新的高度，VITA 57.4 工作組已經(jīng)使用工作在更高速度上的更大數量 GT 鏈路制定出一個(gè)規范。FMC+ 只是給 FMC 連接器增加外層列來(lái)處理更多信號，沒(méi)有更改任何電路板形狀或機械結構，因此具備完整的 FMC 后向兼容性。

　　新增行可以構成增強型連接器的組成部分，從而最大限度地減少對可用板級空間的占用。FMC+ 規范把可用 GT 鏈路的最大數量從 10 個(gè)增加到 24 個(gè)，并可選擇添加另外 8 個(gè)鏈路，從而實(shí)現合計 32 個(gè)全雙工鏈路。額外的鏈路使用 HSPCe 單獨連接器（HSPC 為主連接器）。表 1 是 FMC 和 FMC+ 連接的概覽

　　多個(gè)獨立信號完整性團隊對更高的 28Gbps 數據率進(jìn)行了特性描述和驗證。在包含并行接口的情況下，每個(gè)方向的最大雙工吞吐量現在能夠超過(guò) 900Gpbs。關(guān)于同時(shí)支持 FMC 和 FMC+ 的不同功能的數字化解決方案預期能達到的凈吞吐量的略圖，請參閱圖 2。

　　設計人員可以利用 FMC+ 實(shí)現的更大吞吐量充分發(fā)揮提供巨大 I/O 帶寬的新器件的優(yōu)勢。這里仍然需要有權衡，例如有多少器件能安裝到該夾層卡的可用空間中，但對適度數量的通道而言，與今天的 FMC 規范相比，可實(shí)現的吞吐量已經(jīng)是巨大的飛躍。

　　新一代 ADC 和 DAC

　　在今后幾年里可以合理預計高精度 ADC 和 DAC 將突破 10 Gsps 壁壘，使用直接 RF 采樣支持 L-、S- 乃至 C 波段頻率的極寬寬帶通信。在 10Gbps 以下，12 位、14 位乃至 16 位精度的轉換器正在興起，部分支持多個(gè)通道。這些器件的大部分將使用配備 12 Gbps 通道的 JESD204B（或更新版本）的信號處理，直至更新一代產(chǎn)品讓這一速度邁上新的高度。這些快速發(fā)展背后的動(dòng)力來(lái)自電信行業(yè)，但國防工業(yè)也能加以利用，以滿(mǎn)足尺寸、重量以及成本 （SWAP-C） 要求。

　　其他 FMC+ 的優(yōu)勢與用途

　　雖然和 FMC 類(lèi)似，FMC+ 也很可能被 ADC、DAC 和收發(fā)器產(chǎn)品左右，FPGA 提供的更大 GT 密度讓它能用于其他功能。兩個(gè)值得一提的功能是光纖和新型串行存儲器。

　　和 JESD204B 一樣，存在對更快、更密集光纖的需求。使用光纖排帶的器件能讓部件的尺寸最小。因為 FMC+ 的空間能立即支持 24 路全雙工光纖鏈路，有 FMC+ 支持的較高速度，該應用很有可能率先實(shí)現。每路光纖 28Gbps 的帶寬將讓吞吐量迅速地邁過(guò)單芯片夾層卡 100G 和 400G 大關(guān)。今天在現行 FMC 格式上的 100G 光傳輸能力正在興起。

　　另一個(gè)適用于 FMC+ 的新興領(lǐng)域是混合存儲立方體 （HMC） 和 MoSys 的 Bandwidth Engine 等串行存儲器。這些新穎的器件屬于全新一類(lèi)高性能存儲器，借助 GT 連接功能可提供前所未有的系統性能和帶寬。（賽靈思中國通訊第 43 期 ，查看這些新存儲器類(lèi)型。）

　　呱呱落地

　　新一代 FMC 規范已經(jīng)推出，正在適應串行連接器件推動(dòng)的新技術(shù)。FMC 行業(yè)的主要參與者已經(jīng)開(kāi)始采用這一規范。圖 3 所示的是采用 FMC+ 的第一款賽靈思演示板 KCU114。FMC 標準借助新的 FMC+ 涅槃重生并已呱呱落地，為新一代高性能 FPGA 驅動(dòng)應用做好了準備。

　　圖 3 - 采用 FMC+ 的賽靈思 KCU114 演示板