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

　　選定尺寸之后，板設(shè)計(jì)人員就要在兩種不同連接器間做出選擇，以用作 FMC 標(biāo)準(zhǔn)到載卡上 FPGA 的接口：一種是具有 160 個(gè)引腳的低引腳數(shù) (LPC) 連接器，另一種則是具有 400 個(gè)引腳的高引腳數(shù) (HPC) 連接器。這兩種連接器均支持高達(dá) 2 Gb/s 的單端和差分信號(hào)傳輸速率，且到 FPGA 串行連接器的信號(hào)傳輸速率高達(dá) 10 Gb/s。

　　除了 68 個(gè)用戶定義的單端信號(hào)或者 34 個(gè)用戶定義的差分對(duì)外，LPC 連接器還提供了 1 個(gè)串行收發(fā)器對(duì)、時(shí)鐘、JTAG 接口和 1 個(gè)作為基礎(chǔ)智能平臺(tái)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(gè)用戶定義的單端信號(hào)(或者 80 個(gè)用戶定義的差分對(duì))、10 個(gè)串行收發(fā)器對(duì)以及更多時(shí)鐘。

　　HPC 和 LPC 連接器都使用相同的機(jī)械式連接器，唯一的差別在于實(shí)際上移植哪些信號(hào)，因此采用 LPC 連接器的卡也能插入 HPC 處，而且只要適當(dāng)設(shè)計(jì)，HPC 卡在插入 LPC 處時(shí)還能提供諸多派生功能。

　　圖 2 顯示的是賽靈思的一個(gè)實(shí)例板，該板采用了 Virtex'-6 FPGA和兩種 FMC連接器(一個(gè) LPC 和一個(gè) HPC)。

　　圖 2：ML605 評(píng)估板

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)支持眾多現(xiàn)有的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)載卡尺寸，包括 VME、CompactPCI、VXS、VPX、VPX-REDI、CompactPCI Express、AdvancedTCA 以及 AMC 等。FMC標(biāo)準(zhǔn)還定義了一系列環(huán)境配置，包括低成本商用級(jí)尺寸乃至強(qiáng)化的傳導(dǎo)式散熱選項(xiàng)。

　　FMC的市場(chǎng)機(jī)會(huì)

　　將 FMC 標(biāo)準(zhǔn)和 FPGA 的多樣性結(jié)合在一起，可帶來一系列有趣的市場(chǎng)和應(yīng)用商機(jī)。航空與國(guó)防、醫(yī)療、工業(yè)、電信、視頻及其它等市場(chǎng)通常高度依靠 FPGA來實(shí)現(xiàn)其數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，并滿足各種不同的 I/O 要求。不過，過去每個(gè)市場(chǎng)及給定市場(chǎng)中的每個(gè)應(yīng)用都需要不同的板設(shè)計(jì)。

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)將板設(shè)計(jì)進(jìn)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(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能重復(fù)利用單個(gè)載卡(包括一個(gè)或多個(gè)FPGA 以及適當(dāng)數(shù)量和類型的 FMC 連接器和板)作為多種不同市場(chǎng)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。此外，借助性能更高、功能更強(qiáng)的新型 FPGA 產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員能在確保與現(xiàn)有 FMC 模塊全面兼容的同時(shí)輕松升級(jí)到新載卡。

　　粗略看看上述部分市場(chǎng)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(yīng)用通常需要接入 4 個(gè)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(yīng)用而言，基帶處理通常采用處理速度達(dá) 3.12510 Gb/s、尺寸為 ATCA/AMC 的板，這就需要將 FPGA 和傳統(tǒng) DSP 進(jìn)行組合，并在無線電前端上采用高速 I/O(100500 MHz、1216 位分辨率);航空與國(guó)防市場(chǎng)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(dá)處理的采樣率類似于無線電應(yīng)用，但通常分辨率更高。而軍事衛(wèi)星基站應(yīng)用通常使用更高的采樣率，但分辨率較低(814 位)。

　　顯然，單就我們所說的少數(shù)一些應(yīng)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(yīng)用會(huì)有多大不同的需求。盡管我們比較清楚地了解了這些應(yīng)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(fèi)大量寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間來創(chuàng)建定制硬件或處理復(fù)雜(經(jīng)常也是不必要的)總線協(xié)議問題。

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)將 FPGA 與 I/O 引擎相分離，從而解決了上述問題。它使設(shè)計(jì)人員能從專門支持其終端應(yīng)用的大量 COTS 產(chǎn)品中選擇適當(dāng)尺寸的適當(dāng)處理引擎和適當(dāng)?shù)?I/O 引擎。此外，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)還使廠商能為評(píng)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(shí)間。