面對似乎層出不窮的新 I/O 標準，目前嵌入式系統(tǒng)設計人員繼續(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 基礎上支持幾乎無限多種高度復雜的 I/O 標準。設計人員還能用 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需其它更改)后，便可部署新的協(xié)議。如果 I/O 不是實施在夾層模塊上的話，那么這就意味著需要修改板的設計。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，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 開發(fā)的。2008 年 7 月，情況發(fā)生了變化，美國國家標準學會 (ANSI) 批準發(fā)布了 VITA 57 FPGA 夾層卡 (FMC) 標準。
FMC 標準由包括 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。通過這種方式將 I/O 接口與 FPGA 分離，不僅簡化了 I/O 接口模塊設計，同時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，F(xiàn)MC 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，進而帶來諸多顯著優(yōu)勢：
數(shù)據(jù)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。
時延：消除了協(xié)議開銷，避免了時延問題，確保確定性數(shù)據(jù)交付。
簡化設計：無需了解 PCI、PCI Express 或 Serial RapidIO 等協(xié)議標準的專業(yè)技術(shù)。
系統(tǒng)開銷：通過簡化系統(tǒng)設計降低了功耗，縮短了工程設計時間，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(nèi)部板設計還是商用成品 (COTS) 夾層卡或載卡，F(xiàn)MC 標準有助于將現(xiàn)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(diào)整即可。
FMC 標準的亮點
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，支持多達兩個連接器。FMC 標準提供兩種尺寸，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板進行精心優(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[!--empirenews.page--]
選定尺寸之后，板設計人員就要在兩種不同連接器間做出選擇，以用作 FMC 標準到載卡上 FPGA 的接口：一種是具有 160 個引腳的低引腳數(shù) (LPC) 連接器，另一種則是具有 400 個引腳的高引腳數(shù) (HPC) 連接器。這兩種連接器均支持高達 2 Gb/s 的單端和差分信號傳輸速率，且到 FPGA 串行連接器的信號傳輸速率高達 10 Gb/s。
除了 68 個用戶定義的單端信號或者 34 個用戶定義的差分對外，LPC 連接器還提供了 1 個串行收發(fā)器對、時鐘、JTAG 接口和 1 個作為基礎智能平臺管理接口 (IPMI) 命令可選支持的 I2C 接口。而 HPC 連接器則提供了 160 個用戶定義的單端信號(或者 80 個用戶定義的差分對)、10 個串行收發(fā)器對以及更多時鐘。
HPC 和 LPC 連接器都使用相同的機械式連接器，唯一的差別在于實際上移植哪些信號，因此采用 LPC 連接器的卡也能插入 HPC 處，而且只要適當設計，HPC 卡在插入 LPC 處時還能提供諸多派生功能。
圖 2 顯示的是賽靈思的一個實例板，該板采用了 Virtex'-6 FPGA和兩種 FMC連接器(一個 LPC 和一個 HPC)。
圖 2：ML605 評估板
FMC 標準支持眾多現(xiàn)有的業(yè)界標準載卡尺寸，包括 VME、CompactPCI、VXS、VPX、VPX-REDI、CompactPCI Express、AdvancedTCA 以及 AMC 等。FMC標準還定義了一系列環(huán)境配置，包括低成本商用級尺寸乃至強化的傳導式散熱選項。
FMC的市場機會
將 FMC 標準和 FPGA 的多樣性結(jié)合在一起，可帶來一系列有趣的市場和應用商機。航空與國防、醫(yī)療、工業(yè)、電信、視頻及其它等市場通常高度依靠 FPGA來實現(xiàn)其數(shù)字信號處理 (DSP) 性價比優(yōu)勢，并滿足各種不同的 I/O 要求。不過，過去每個市場及給定市場中的每個應用都需要不同的板設計。
FMC 標準的出現(xiàn)將板設計進行了模塊化，分為處理引擎(載卡)和 I/O 引擎(FMC 模塊)兩大部分。設計人員現(xiàn)在能重復利用單個載卡(包括一個或多個FPGA 以及適當數(shù)量和類型的 FMC 連接器和板)作為多種不同市場和應用的基礎。此外，借助性能更高、功能更強的新型 FPGA 產(chǎn)品，設計人員能在確保與現(xiàn)有 FMC 模塊全面兼容的同時輕松升級到新載卡。
粗略看看上述部分市場的尺寸、I/O 及處理要求，我們能看出問題的所在。舉例來說，廣播視頻應用通常需要接入 4 個或更多 SDI 連接器、10 Gb 以太網(wǎng)及其它收發(fā)器連接器;就無線基站應用而言，基帶處理通常采用處理速度達 3.125"10 Gb/s、尺寸為 ATCA/AMC 的板，這就需要將 FPGA 和傳統(tǒng) DSP 進行組合，并在無線電前端上采用高速 I/O(100"500 MHz、12"16 位分辨率);航空與國防市場傾向于采用 VME 和 cPCI 尺寸的板，但處理要求大不相同。舉例來說，雷達處理的采樣率類似于無線電應用，但通常分辨率更高。而軍事衛(wèi)星基站應用通常使用更高的采樣率，但分辨率較低(8"14 位)。
顯然，單就我們所說的少數(shù)一些應用而言，處理和 I/O 要求就已經(jīng)千差萬別了，因此我們可以想象，采用 FPGA 的各種不同應用會有多大不同的需求。盡管我們比較清楚地了解了這些應用的不同處理要求，且得到了成熟板行業(yè)提供的豐富的硬件解決方案的支持，但此前工程師們不得不花費大量寶貴的設計時間來創(chuàng)建定制硬件或處理復雜(經(jīng)常也是不必要的)總線協(xié)議問題。
FMC 標準將 FPGA 與 I/O 引擎相分離，從而解決了上述問題。它使設計人員能從專門支持其終端應用的大量 COTS 產(chǎn)品中選擇適當尺寸的適當處理引擎和適當?shù)?I/O 引擎。此外，F(xiàn)MC 標準還使廠商能為評估和開發(fā)創(chuàng)建統(tǒng)一的系統(tǒng)，隨后還能量產(chǎn)部署，從而大幅降低成本，并顯著縮短了產(chǎn)品上市時間。[!--empirenews.page--]
總結(jié)
FMC 標準是 FPGA 開發(fā)人員設計開發(fā)選擇中的一大轉(zhuǎn)變。從事微處理器和傳統(tǒng) DSP 設計工作的設計人員幾十年來一直受益于可擴展開發(fā)解決方案的靈活性優(yōu)勢，而現(xiàn)在，FMC 標準則為 FPGA 領域的開發(fā)人員帶來了模塊化設計的強大實力。
COTS 板廠商通過重復使用硬件設計，可加速并簡化產(chǎn)品設計工作，進而大幅降低產(chǎn)品開銷。這種高效性不僅有助于我們?yōu)楦鄳猛瞥龈玫漠a(chǎn)品，使客戶專注于實現(xiàn)其產(chǎn)品獨特的差異化，而且還能加速解決方案的市場部署。
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