面對似乎層出不窮的新 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繼續(xù)依靠 FPGA" title="FPGA">FPGA 來部署系統(tǒng)日益重要的外部 I/O 接口,，這點(diǎn)絲毫不足為奇,。FPGA 可提供大量可配置的 I/O，能在適當(dāng) IP 基礎(chǔ)上支持幾乎無限多種高度復(fù)雜的 I/O 標(biāo)準(zhǔn),。設(shè)計(jì)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(yùn)行的協(xié)議。
FPGA 能夠靈活適應(yīng) 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(shí)施在夾層模塊上的話,，那么這就意味著需要修改板的設(shè)計(jì),。為了避免設(shè)計(jì)更改造成成本和工作量的增加，設(shè)計(jì)人員以前一直采用 PCI 夾層卡 (PMC) 和交換夾層卡 (XMC) 標(biāo)準(zhǔn),。不過,，上述標(biāo)準(zhǔn)是十多年前針對單板計(jì)算機(jī) (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(biāo)準(zhǔn)學(xué)會 (ANSI) 批準(zhǔn)發(fā)布了 VITA 57 FPGA 夾層卡 (FMC) 標(biāo)準(zhǔn)。
FMC 標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)板(載卡)上的 FPGA 提供標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì),，同時(shí)還最大化了載卡的重復(fù)利用率。與使用 PCI,、PCI-X,、PCIe 或 Serial RapidIO 等復(fù)雜接口連接到載卡的 PMC 和 XMC 標(biāo)準(zhǔn)不同，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)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,。欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com )
這樣做能夠提高效率,，進(jìn)而帶來諸多顯著優(yōu)勢：
數(shù)據(jù)吞吐量：支持高達(dá) 10 Gb/s 的信號傳輸速率,，夾層卡和載卡之間潛在總帶寬達(dá) 40 Gb/s。
時(shí)延：消除了協(xié)議開銷,，避免了時(shí)延問題,，確保確定性數(shù)據(jù)交付。
簡化設(shè)計(jì)：無需了解 PCI,、PCI Express 或 Serial RapidIO 等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù),。
系統(tǒng)開銷：通過簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低了功耗，縮短了工程設(shè)計(jì)時(shí)間,，并縮減了IP 核及材料成本,。
設(shè)計(jì)重復(fù)使用：不管是采用定制的內(nèi)部板設(shè)計(jì)還是商用成品 (COTS) 夾層卡或載卡，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)有助于將現(xiàn)有的 FPGA / 載卡設(shè)計(jì)重新用到新的 I/O 上,，而這只需更換 FMC 模塊并對 FPGA 設(shè)計(jì)略作調(diào)整即可,。
FMC 標(biāo)準(zhǔn)的亮點(diǎn)
FMC標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，支持多達(dá)兩個連接器,。FMC 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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
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(dá) 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(dá) 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(shí)鐘,、JTAG 接口和 1 個作為基礎(chǔ)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(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,，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實(shí)例板,，該板采用了 Virtex-6" title="Virtex-6">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(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，包括低成本商用級尺寸乃至強(qiáng)化的傳導(dǎo)式散熱選項(xiàng),。
FMC的市場機(jī)會
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和應(yīng)用商機(jī)。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(shí)現(xiàn)其數(shù)字信號處理 (DSP) 性價(jià)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(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)利用單個載卡(包括一個或多個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(yīng)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(yīng)用而言，基帶處理通常采用處理速度達(dá) 3.125"10 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(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(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(8"14 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,。
總結(jié)
FMC 標(biāo)準(zhǔn)是 FPGA 開發(fā)人員設(shè)計(jì)開發(fā)選擇中的一大轉(zhuǎn)變。從事微處理器和傳統(tǒng) DSP 設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)人員幾十年來一直受益于可擴(kuò)展開發(fā)解決方案的靈活性優(yōu)勢,，而現(xiàn)在,，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)則為 FPGA 領(lǐng)域的開發(fā)人員帶來了模塊化設(shè)計(jì)的強(qiáng)大實(shí)力。
COTS 板廠商通過重復(fù)使用硬件設(shè)計(jì),，可加速并簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作,，進(jìn)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?yīng)用推出更好的產(chǎn)品,，使客戶專注于實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品獨(dú)特的差異化,，而且還能加速解決方案的市場部署。