基于FMC標(biāo)準(zhǔn)的FPGA夾層卡I/O設(shè)計(jì)與分析

面對(duì)似乎層出不窮的新 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繼續(xù)依靠 FPGA 來部署系統(tǒng)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(dāng) IP 基礎(chǔ)上支持幾乎無限多種高度復(fù)雜的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員還能用 FPGA 執(zhí)行流內(nèi) (in-stream) 數(shù)據(jù)處理，甚至以數(shù)千兆位級(jí)信號(hào)傳輸速率和帶寬運(yùn)行的協(xié)議。

　　FPGA 能夠靈活適應(yīng) 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，那么這就意味著需要修改板的設(shè)計(jì)。為了避免設(shè)計(jì)更改造成成本和工作量的增加，設(shè)計(jì)人員以前一直采用 PCI 夾層卡 (PMC) 和交換夾層卡 (XMC) 標(biāo)準(zhǔn)。不過，上述標(biāo)準(zhǔn)是十多年前針對(duì)單板計(jì)算機(jī) (SBC) 等通用解決方案而并非 FPGA 開發(fā)的。2008 年 7 月，情況發(fā)生了變化，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì) (ANSI) 批準(zhǔn)發(fā)布了 VITA 57 FPGA 夾層卡 (FMC) 標(biāo)準(zhǔn)。

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)由包括 FPGA 廠商和最終用戶在內(nèi)的公司聯(lián)盟開發(fā)，旨在為基礎(chǔ)板(載卡)上的 FPGA 提供標(biāo)準(zhǔn)的夾層卡尺寸、連接器和模塊接口。通過這種方式將 I/O 接口與 FPGA 分離，不僅簡(jiǎn)化了 I/O 接口模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)還最大化了載卡的重復(fù)利用率。與使用 PCI、PCI-X、PCIe 或 Serial RapidIO 等復(fù)雜接口連接到載卡的 PMC 和 XMC 標(biāo)準(zhǔn)不同，FMC 標(biāo)準(zhǔn)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)而帶來諸多顯著優(yōu)勢(shì)：

　　數(shù)據(jù)吞吐量：支持高達(dá) 10 Gb/s 的信號(hào)傳輸速率，夾層卡和載卡之間潛在總帶寬達(dá) 40 Gb/s。

　　時(shí)延：消除了協(xié)議開銷，避免了時(shí)延問題，確保確定性數(shù)據(jù)交付。

　　簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：無需了解 PCI、PCI Express 或 Serial RapidIO 等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù)。

　　系統(tǒng)開銷：通過簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低了功耗，縮短了工程設(shè)計(jì)時(shí)間，并縮減了IP 核及材料成本。

　　設(shè)計(jì)重復(fù)使用：不管是采用定制的內(nèi)部板設(shè)計(jì)還是商用成品 (COTS) 夾層卡或載卡，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)有助于將現(xiàn)有的 FPGA / 載卡設(shè)計(jì)重新用到新的 I/O 上，而這只需更換 FMC 模塊并對(duì) FPGA 設(shè)計(jì)略作調(diào)整即可。

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)的亮點(diǎn)

　　FMC標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，支持多達(dá)兩個(gè)連接器。FMC 標(biāo)準(zhǔn)提供兩種尺寸，能夠更加靈活地根據(jù)空間、I/O 要求或者這兩者的要求對(duì)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