FMC+ 標(biāo)準(zhǔn)將嵌入式 設(shè)計(jì)推到全新的高度
更新后的 FPGA 夾層卡規(guī)范提供無(wú)與倫比的高 I/O 密度、向后兼容性。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201605/291735.htm作為使用 FPGA 和高速 I/O 的嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì)的重要發(fā)展,名為 FMC+ 的最新夾層卡標(biāo)準(zhǔn)將把卡中的千兆位收發(fā)器(GT)的總數(shù)量從 10 個(gè)擴(kuò)展到 32 個(gè),最大數(shù)據(jù)速率從 10Gbps 提升到 28Gbps,同時(shí)保持與當(dāng)前 FMC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)向后兼容。
這些功能與使用 JESD204B 串行接口標(biāo)準(zhǔn)的新器件以及 10G 和 40G 光學(xué)器件及高速串行存儲(chǔ)器也非常吻合。FMC+ 可滿足最具挑戰(zhàn)性的 I/O 要求,為開(kāi)發(fā)人員提供了雙重優(yōu)勢(shì):夾層卡的靈活性,以及單芯片設(shè)計(jì)的高 I/O 密度。
FMC+ 規(guī)范是在去年制定和細(xì)化的。VITA 57.4 工作組已經(jīng)批準(zhǔn)該規(guī)范并將在 2016 年初提交 ANSI 投票。下面詳細(xì)介紹一下這一重要的新標(biāo)準(zhǔn),了解其對(duì)高級(jí)嵌入式設(shè)計(jì)的影響。
夾層卡的優(yōu)勢(shì)
夾層卡是一種為嵌入式系統(tǒng)添加特定功能的有效且廣泛使用的方法。因?yàn)閵A層卡是連接在基礎(chǔ)卡或載卡上,而不是直接插在背板上,夾層卡可以輕松更換。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),這意味著既能夠靈活配置,又可以輕松升級(jí)。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(duì)于 FPGA,主要的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)是 ANSI/VITA 57.1,也稱(chēng)之為 FPGA 夾層卡 (FMC) 規(guī)范。最新標(biāo)準(zhǔn) FMC+(更正式的說(shuō)法,即 VITA 57.4)通過(guò)大幅增強(qiáng)千兆位串行接口的功能,擴(kuò)展了現(xiàn)有 FMC 標(biāo)準(zhǔn)的功能。
與單芯片解決方案相比,F(xiàn)MC+ 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(biāo)準(zhǔn)具有后向兼容,符合 FMC 的發(fā)展歷史并滿足其用戶(hù)群體需求。
該 FMC 標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度只有其一半。這意味著 FMC 與開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)格式相比,組件板級(jí)空間更小。但 FMC 不需要往往占用大量板級(jí)空間的總線接口,例如 PCI-X。作為替代,F(xiàn)MC 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(guī)范一樣,F(xiàn)MC 和 FMC+ 也同時(shí)提供空氣冷卻和傳導(dǎo)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(yīng)用都能適用。
FMC 規(guī)范解析起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單。該標(biāo)準(zhǔn)為高引腳數(shù)(HPC)設(shè)計(jì)可提供多達(dá) 160 個(gè)單端或 80 個(gè)差分并聯(lián) I/O 信號(hào),為低引腳數(shù) (LPC) 設(shè)計(jì)提供一半數(shù)量的 I/O 信號(hào)??梢栽O(shè)置多達(dá) 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,F(xiàn)MC 規(guī)范還定義了關(guān)鍵的時(shí)鐘信號(hào)。所有這些 I/O 都是可選的,雖然大部分主機(jī)現(xiàn)在支持完全連接。
FMC 規(guī)范還定義了多種電源輸入,雖然夾層卡定義的是由主機(jī)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(jī)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(yīng)。如果主機(jī)能夠提供該電壓范圍,則一切順利進(jìn)行。不在夾層卡上設(shè)主電源調(diào)整既能節(jié)省空間,又能降低夾層卡的功耗。
用于模擬 I/O 的 FMC
設(shè)計(jì)人員可將 FMC 用作任何用戶(hù)想連接到 FPGA 的功能,例如數(shù)字 I/O、光纖、控制接口、存儲(chǔ)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(guī)范適用于相當(dāng)大范圍的快速高精度 I/O,但也需要權(quán)衡使用,尤其是對(duì)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(fù)用總線接口,因此該總線速度對(duì)主控 FPGA 來(lái)說(shuō)不算過(guò)快。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口單獨(dú)需要 96 個(gè)信號(hào)(48 個(gè) LVDS 對(duì))。對(duì)這種級(jí)別的器件,F(xiàn)MC 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(hào)。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(shù)據(jù)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(shù)量。
對(duì)使用并行接口,運(yùn)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,F(xiàn)MC 規(guī)范開(kāi)始無(wú)法應(yīng)對(duì)。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(quán)衡的結(jié)果。
除了并行連接,F(xiàn)MC 規(guī)范還支持多達(dá) 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
表 1 - FMC 和 FMC+ 連接一覽表
這些接口對(duì)光纖 I/O、以太網(wǎng)、混合存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)(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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的串行接口標(biāo)配。這種廣泛采用背后的推動(dòng)力來(lái)自電信行業(yè)對(duì)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(hào)。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(jié)構(gòu)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?yàn)?nbsp;FPGA 正在提供數(shù)量不斷增長(zhǎng)、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(jù)采樣率要求的數(shù)據(jù)吞吐能量、精度和模擬 I/O 通道數(shù)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(guī)范定義的是尺寸相對(duì)較小的夾層卡,但隨著 JESD204B 器件的興起,可用板級(jí)空間內(nèi)能夠容納更多部件。FMC 規(guī)范定義的最多 10 個(gè) GT 鏈路是一個(gè)可用的數(shù)量。就是這有限數(shù)量的 GT 鏈路只需使用并行 I/O 所需引腳數(shù)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(zhàn)的部分細(xì)分應(yīng)用帶來(lái)了不足,例如數(shù)字化射頻存儲(chǔ)器 (DRFM)。因數(shù)據(jù)流水線較長(zhǎng),串行接口不可避免地會(huì)帶來(lái)更大的
時(shí)延。對(duì) DRFM 應(yīng)用來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸出之間的時(shí)延是一個(gè)根本性的性能參數(shù)。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(shù)據(jù)以越來(lái)越快的速度穿過(guò)流水線,其中部分器件有望具備調(diào)節(jié)流水線深度的能力。究竟能實(shí)現(xiàn)多大的改進(jìn),仍有待觀望。
評(píng)論