创龙小识堂|FMC+标准 K7系列FMC板卡你知多少

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创龙小识堂|FMC+标准 K7系列FMC板卡你知多少

      作为使用 FPGA 和高速 I/O 的嵌入式计算设计的重要发展，名为 FMC+ 的最新夹层卡标准将把卡中的千兆位收发器（GT）的总数量从 10 个扩展到 32 个，最大数据速率从 10Gbps 提升到 28Gbps，同时保持与当前 FMC 标准实现向后兼容。

       这些功能与使用 JESD204B 串行接口标准的新器件以及 10G 和 40G 光学器件及高速串行存储器也非常吻合。FMC+ 可满足最具挑战性的 I/O 要求，为开发人员提供了双重优势：夹层卡的灵活性，以及单芯片设计的高 I/O 密度。

       FMC+规范是在去年制定和细化的。VITA 57.4 工作组已经批准该规范并将在 2016 年初提交 ANSI 投票。下面详细介绍一下这一重要的新标准，了解其对高级嵌入式设计的影响。

夹层卡的优势

       夹层卡是一种为嵌入式系统添加特定功能的有效且广泛使用的方法。因为夹层卡是连接在基础卡或载卡上，而不是直接插在背板上，夹层卡可以轻松更换。对系统设计人员来说，这意味着既能够灵活配置，又可以轻松升级。但由于连接问题或安装到开发板上需占用额外的空间，这种灵活性往往会以牺牲功能为代价。

       对于 FPGA，主要的开放标准是 ANSI/VITA 57.1，也称之为 FPGA 夹层卡 (FMC) 规范。最新标准 FMC+（更正式的说法，即 VITA 57.4）通过大幅增强千兆位串行接口的功能，扩展了现有 FMC 标准的功能。

       与单芯片解决方案相比，FMC+ 能解决基于夹层卡的 I/O 的许多不足，同时提供更高的灵活性和性能。同时 FMC+ 标准具有后向兼容，符合 FMC 的发展历史并满足其用户群体需求。

       该 FMC 标准定义的是一种小型夹层卡，其高度和宽度类似于久成熟的 XMC 或 PMC，但长度只有其一半。这意味着 FMC 与开放标准格式相比，组件板级空间更小。但 FMC 不需要往往占用大量板级空间的总线接口，例如 PCI-X。作为替代，FMC 使用供电要求较为简单的直连 I/O 与主控 FPGA 通信。这意味着虽然尺寸更小，但 FMC 实际上有比它们的 XMC 同等产品更大的 I/O 容量和 PMC 和 XMC 规范一样，FMC 和 FMC+ 也同时提供空气冷却和传导冷却两种选择，因此商业和军用市场各自需求的普通和耐用型应用都能适用。

       FMC规范解析起来相当简单。该标准为高引脚数(HPC)设计可提供多达 160 个单端或 80 个差分并联 I/O 信号，为低引脚数 (LPC) 设计提供一半数量的 I/O 信号。可以设置多达 10 个全双工 GT 连接。这些 GT适用于光纤或其他串行接口。此外，FMC 规范还定义了关键的时钟信号。所有这些 I/O 都是可选的，虽然大部分主机现在支持完全连接。       FMC 规范还定义了多种电源输入，虽然夹层卡定义的是由主机供电。这种方法的工作方式是先给夹层卡部分供电，这样主机就能够询问 FMC，然后 FMC 通过为 VADJ定义电压范围来做出响应。如果主机能够提供该电压范围，则一切顺利进行。不在夹层卡上设主电源调整既能节省空间，又能降低夹层卡的功耗。

用于模拟 I/O 的 FMC

       设计人员可将 FMC 用作任何用户想连接到 FPGA 的功能，例如数字 I/O、光纤、控制接口、存储器或附加处理。但模拟 I/O 仍然是 FMC 技术最常见的用途。FMC 规范适用于相当大范围的快速高精度 I/O，但也需要权衡使用，尤其是对使用并行接口的高速部件来说。

       例如德州仪器的 ADC12D2000RF 双通道 2 Gsps 12 位 ADC 使用1:4 复用总线接口，因此该总线速度对主控 FPGA 来说不算过快。数字数据接口单独需要 96 个信号（48 个 LVDS 对）。对这种级别的器件，FMC 只能支持一个此类器件，即便有足够的空间容纳更多器件，但FMC 的上限是 160 个信号。较低精度器件就算是工作在较高速度下，例如那些工作在 8 位数据通道上的器件，即便换衡器、放大器、时钟等提出更高的前端模拟耦合要求，也可以允许更多通道数量。

       对使用并行接口，运行速度在 5 Gsps 或 6 Gsps（吞吐量大于 50Gbps），精度大于 8 位的模拟接口，FMC 规范开始无法应对。站在市场的角度，从通道密度、速度和精度来看,主流 FMC 的吞吐量在 25-50Gbps 之间。这样的性能水平是物理封装尺寸与到主控 FPGA 的可用连接权衡的结果。

       除了并行连接，FMC 规范还支持多达 10 个双工高速串行（GT）链路。

图 1：FMC 借助 JESD204B 缩小封装带来的影响

表 1：FMC 和 FMC+ 连接一览表* VADJ：由夹层卡定义，由主机提供的电压电平

       这些接口对光纤 I/O、以太网、混合存储立方体 (HMC) 和 Bandwidth Engine 等新兴技术以及使用 JESD204B 接口的新一代模拟 I/O 器件有用。

FMC+ 的演进

       为将 FMC 提升到全新的高度，VITA 57.4 工作组已经使用工作在更高速度上的更大数量 GT 链路制定出一个规范。FMC+ 只是给 FMC 连接器增加外层列来处理更多信号，没有更改任何电路板形状或机械结构，因此具备完整的 FMC 后向兼容性。

       新增行可以构成增强型连接器的组成部分，从而最大限度地减少对可用板级空间的占用。FMC+ 规范把可用 GT 链路的最大数量从 10 个增加到 24 个，并可选择添加另外 8 个链路，从而实现合计 32 个全双工链路。额外的链路使用 HSPCe 单独连接器（HSPC 为主连接器）。

       多个独立信号完整性团队对更高的 28Gbps 数据率进行了特性描述和验证。在包含并行接口的情况下，每个方向的最大双工吞吐量现在能够超过 900Gpbs。

       设计人员可以利用 FMC+ 实现的更大吞吐量充分发挥提供巨大 I/O 带宽的新器件的优势。这里仍然需要有权衡，例如有多少器件能安装到该夹层卡的可用空间中，但对适度数量的通道而言，与今天的 FMC 规范相比，可实现的吞吐量已经是巨大的飞跃。

创龙 Kintex-7采集卡呱呱落地

       TL-K7FMC采集卡是一款由广州创龙基于XilinxKintex-7系列FPGA自主研发的FMC数据采集卡，可配套广州创龙TMS320C6655、TMS320C6657、TMS320C6678开发板使用。      TL-K7FMC采集卡完全支持PCI Express 2.0标准，串行高速输入输出SRIO总线通过HDMI接口提供稳定、可靠的高速传输能力，为产品的快速成型提供极大的便利。TL-K7FMC采集卡的FMC接口不仅简化了I/O接口模块设计，提供高速的接口通信能力，而且提高了模块的利用率，标准化设计使产品有更好的通用性。