利用FPGA夹层卡实现I/O设计灵活性

FPGA夹层卡（FMC）标准由包括FPGA厂商和终用户在内的公司联盟开发，属于ANSI标准，旨在为基础板（载卡）上的FPGA提供标准的夹层卡尺寸、连接器和模块接口。I/O接口与FPGA分离，不仅简化了I/O接口模块设计，同时还能化载卡的重复使用率。

FPGA 能够灵活适应 I/O 要求变化。FPGA 经重配置（除了替换物理 I/O 组件和连接器外基本无需其它更改）后，便可部署新的协议。如果 I/O 不是实施在夹层模块上的话，那么这就意味着需要修改板的设计。为了避免设计更改造成成本和工作量的增加，设计人员以前一直采用 PCI 夹层卡 （PMC） 和交换夹层卡 （XMC） 标准。不过，上述标准是十多年前针对单板计算机 （SBC） 等通用解决方案而并非 FPGA 开发的。2008 年 7 月，情况发生了变化，美国国家标准学会 （ANSI） 批准发布了 VITA 57 FPGA 夹层卡 （FMC） 标准。

FMC的主要优点：数据吞吐量：支持高达10Gb/s的信号传输速率，夹层卡和载卡之间潜在总带宽达40Gb/s.时延：消除了协议开销，避免了时延问题，确保确定性数据交付。简化设计：无需了解PCI、PCIExpress?或SerialRapidIO等协议标准的技术。系统开销：通过简化系统设计降低了功耗，缩短了工程设计时间，并缩减了IP核及材料成本。设计重复使用：不管是采用定制的内部板设计还是商用成品（COTS）夹层卡或载卡，FMC标准有助于将现有的FPGA/载卡设计重新用到新的I/O上，而这只需更换FMC模块并对FPGA设计略作调整即可。

　　FMC 标准的亮点

FMC标准定义了单宽度（69毫米x76.5毫米）和双宽度（139毫米x76.5毫米）两种尺寸。单宽度模块支持到载卡的单个连接器。双宽度模块主要面向需要更高带宽、更大前面板空间或较大PCB面积的应用，支持多达两个连接器。FMC标准提供两种尺寸，能够更加灵活地根据空间、I/O要求或者这两者的要求对板进行精心优化。

选定尺寸之后，板设计人员就要在两种不同连接器间做出选择，以用作FMC标准到载卡上FPGA的接口：一种是具有160个引脚的低引脚数（LPC）连接器，另一种则是具有400个引脚的高引脚数（HPC）连接器。这两种连接器均支持高达2Gb/s的单端和差分信号传输速率，且到FPGA串行连接器的信号传输速率高达10Gb/s.

除了68个用户定义的单端信号或者34个用户定义的差分对外，LPC连接器还提供了1个串行收发器对、时钟、JTAG接口和1个作为基础智能平台管理接口（IPMI）命令可选支持的I2C接口。而HPC连接器则提供了160个用户定义的单端信号（或者80个用户定义的差分对）、10个串行收发器对以及更多时钟。

连接器是我们电子工程技术人员经常接触的一种部件。它的作用非常单纯：在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间，架起沟通的桥梁，从而使电流流通，使电路实现预定的功能。连接器是电子设备中不可缺少的部件，顺着电流流通的通路观察，你总会发现有一个或多个连接器。连接器形式和结构是千变万化的，随着应用对象、频率、功率、应用环境等不同，有各种不同形式的连接器。例如，球场上点灯用的连接器和硬盘驱动器的连接器，以及点燃火箭的连接器是大不相同的。但是无论什么样的连接器，都要保证电流顺畅连续和可靠地流通。就泛指而言，连接器所接通的不仅仅限于电流，在光电子技术迅猛发展的今天，光纤系统中，传递信号的载体是光，玻璃和塑料代替了普通电路中的导线，但是光信号通路中也使用连接器，它们的作用与电路连接器相同。

HPC和LPC连接器都使用相同的机械式连接器，的差别在于实际上移植哪些信号，因此采用LPC连接器的卡也能插入HPC处，而且只要适当设计，HPC卡在插入LPC处时还能提供诸多派生功能。

赛灵思的一个实例板，该板采用了 Virtex'-6 FPGA和两种 FMC连接器（一个 LPC 和一个 HPC）。　　

FMC 标准支持众多现有的业界标准载卡尺寸，包括 VME、CompactPCI、VXS、VPX、VPX-REDI、CompactPCI Express、AdvancedTCA 以及 AMC 等。FMC标准还定义了一系列环境配置，包括低成本商用级尺寸乃至强化的传导式散热选项。

　　FMC的市场机会

将FMC标准和FPGA的多样性结合在一起，可带来一系列有趣的市场和应用商机。航空与国防、医疗、工业、电信、视频及其它等市场通常高度依靠FPGA来实现其数字信号处理（DSP）性价比优势，并满足各种不同的I/O要求。不过，过去每个市场及给定市场中的每个应用都需要不同的板设计。

FMC标准的出现将板设计进行了模块化，分为处理引擎（载卡）和I/O引擎（FMC模块）两大部分。设计人员现在能重复利用单个载卡（包括一个或多个FPGA以及适当数量和类型的FMC连接器和板）作为多种不同市场和应用的基础。此外，借助性能更高、功能更强的新型FPGA产品，设计人员能在确保与现有FMC模块全面兼容的同时轻松升级到新载卡。

粗略看看上述部分市场的尺寸、I/O及处理要求，我们能看出问题的所在。举例来说，广播视频应用通常需要接入4个或更多SDI连接器、10Gb以太网及其它收发器连接器；就无线基站应用而言，基带处理通常采用处理速度达3.125"10Gb/s、尺寸为ATCA/AMC的板，这就需要将FPGA和传统DSP进行组合，并在无线电前端上采用高速I/O（100"500MHz、12"16位分辨率）；航空与国防市场倾向于采用VME和cPCI尺寸的板，但处理要求大不相同。举例来说，雷达处理的采样率类似于无线电应用，但通常分辨率更高。而军事卫星基站应用通常使用更高的采样率，但分辨率较低（8"14位）。

显然，单就我们所说的少数一些应用而言，处理和I/O要求就已经千差万别了，因此我们可以想象，采用FPGA的各种不同应用会有多大不同的需求。尽管我们比较清楚地了解了这些应用的不同处理要求，且得到了成熟板行业提供的丰富的硬件解决方案的支持，但此前工程师们不得不花费大量宝贵的设计时间来创建定制硬件或处理复杂（经常也是不必要的）总线协议问题。

FMC标准将FPGA与I/O引擎相分离，从而解决了上述问题。它使设计人员能从专门支持其终端应用的大量COTS产品中选择适当尺寸的适当处理引擎和适当的I/O引擎。此外，FMC标准还使厂商能为评估和开发创建统一的系统，随后还能量产部署，从而大幅降低成本，并显着缩短了产品上市时间。

COTS即Commercial-off-the-shelf翻译为"商用现成品或技术",指可以采购到的具有开放式标准定义的接口的软件或硬件产品。COTS（商务现货供应）产品是指使用"不再做修理或改进"的模式出售的商务产品，这种产品设计的原则就是安装简便，并且可以在现有系统部件的条件下运行。平均水平的电脑用户所要买的软件几乎都可以是COTS类别的产品：操作系统、Office产品组合、字处理以及电子邮件程序就是其中的几个例子。COTS软件的优点就是它的大量生产以及相对的低成本。

　　总结

FMC标准是FPGA开发人员设计开发选择中的一大转变。从事微处理器和传统DSP设计工作的设计人员几十年来一直受益于可扩展开发解决方案的灵活性优势，而现在，FMC标准则为FPGA领域的开发人员带来了模块化设计的强大实力。

COTS板厂商通过重复使用硬件设计，可加速并简化产品设计工作，进而大幅降低产品开销。这种高效性不仅有助于我们为更多应用推出更好的产品，使客户专注于实现其产品独特的差异化，而且还能加速解决方案的市场部署。