利用FPGA夾層卡實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)計(jì)靈活性

面對(duì)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 來(lái)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(wú)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(jí)信號(hào)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(wú)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(guò)，上述標(biāo)準(zhǔn)是十多年前針對(duì)單板計(jì)算機(jī) (SBC) 等通用解決方案而并非 FPGA 開(kāi)發(fā)的。2008 年 7 月，情況發(fā)生了變化，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì) (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(kāi)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(guò)這種方式將 I/O 接口與 FPGA 分離，不僅簡(jiǎn)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。

　　這樣做能夠提高效率，進(jìn)而帶來(lái)諸多顯著優(yōu)勢(shì)：

　　• 數(shù)據(jù)吞吐量：支持高達(dá) 10 Gb/s 的信號(hào)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(kāi)銷，避免了時(shí)延問(wèn)題，確保確定性數(shù)據(jù)交付。

　　• 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：無(wú)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(kāi)銷：通過(guò)簡(jiǎn)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(duì) 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(gè)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(gè)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(duì)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(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(lái)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(lái)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(guò)，過(guò)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(wèn)題的所在。舉例來(lái)說(shuō)，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(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)，雷達(dá)處理的采樣率類似于無(wú)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(shuō)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(wàn)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(lái)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(wèn)題。

　　FMC 標(biāo)準(zhǔn)將 FPGA 與 I/O 引擎相分離，從而解決了上述問(wèn)題。它使設(shè)計(jì)人員能從專門(mén)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(kāi)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(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)開(kāi)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(lái)一直受益于可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)解決方案的靈活性優(yōu)勢(shì)，而現(xiàn)在，F(xiàn)MC 標(biāo)準(zhǔn)則為 FPGA 領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了模塊化設(shè)計(jì)的強(qiáng)大實(shí)力。

　　COTS 板廠商通過(guò)重復(fù)使用硬件設(shè)計(jì)，可加速并簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而大幅降低產(chǎn)品開(kāi)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(chǎng)部署。