Why FPGA開發(fā)板喜歡FMC?

來都來了，我們就來好好講講為什么萬能的FPGA如此青睞FMC？

Why FMC?

FMC即FPGA Mezzanine Card（FPGA中間層板卡），由子板模塊和載卡兩部分構成。

FMC載卡：為子板模塊提供插槽，使用母座FMC連接器。載卡連接器引腳與具有可配置IO資源的芯片例如FPGA引腳通過PCB設計連接在一起。

FMC 子板模塊：子板模塊上使用公座FMC連接器。子卡通過設計不同的IO接口實現(xiàn)不同的功能，使載卡連接不同的子板從而實現(xiàn)不同的擴展功能。

*盤古100pro+開發(fā)板FMC接口

*盤古100pro+開發(fā)板FMC子板

美國國家標準

根據(jù)美國國家標準對FMC 標準（ANSI/VITA57.1-2008）的規(guī)定，F(xiàn)MC 子板有單寬和雙寬兩種尺寸，其具體尺寸信息如下：

單寬子板：寬度69mm/長度76.5mm，也有其他尺寸如84.1mm/高度8.5mm和10mm兩種，但一般默認10mm

雙寬子板：寬度139mm/長度一般是76.5mm/高度同樣是有8.5mm和10mm兩種，默認高度10mm。

這玩意都能整上美國國標了，嗯，就很高！大！上！

*盤古100pro+開發(fā)板FMC子板結構圖

為使不同的FMC 子卡和載卡能相互兼容，F(xiàn)MC 接口管腳定義遵循 ANSI/VITA 57 等標準。每個管腳都有特定的功能，如：

CLK0_C2M_P、CLK0_C2M_N：從載卡到 IO 子板模塊的差分時鐘信號。

CLK0_M2C_P、CLK0_M2C_N：從 IO 子板模塊到載卡的差分時鐘信號。

HA(00..23)_P、HA(00..23)_N：HPC 上 bank A 的用戶自定義信號，為差分信號對。

HB(00..21)_P、HB(00..21)_N：HPC 上 bank B 的用戶自定義信號，為差分信號對。

LA(00..33)_P、LA(00..33)_N：差分信號對，一般用于 LPC 或作HPC 中 bank A 的部分信號。

設計人員能依據(jù)這些明確的定義，合理規(guī)劃子卡和載卡的功能，確保各部分之間的信號傳輸和交互準確無誤，實現(xiàn)系統(tǒng)的預期功能。

*盤古100pro+開發(fā)板FMC子板接口信號定義

FMC接口連接器分為HPC連接器和LPC連接器：

·HPC 連接器：具有400 引腳，排列方式為 40 行 ×10 列。提供 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)器對以及更多時鐘，可傳輸高速信號。

·LPC 連接器：有160 引腳，排列行不變，列只有 CDGH。除 68 個用戶定義的單端信號或者 34 個用戶定義的差分對外，還提供 1 個串行收發(fā)器對、時鐘、JTAG 接口和 1 個作為基礎智能平臺管理接口命令可選支持的 I2C 接口。

FMC接口支持高達10Gb/s 的信號傳輸速率，子卡和載卡之間潛在總帶寬達 40Gb/s。單端和差分信號傳輸速率可達 2Gb/s。

應用場景及優(yōu)勢

FMC 標準能滿足多種應用場景需求，如智能采集系統(tǒng)、雷達 / 聲吶、實時視頻處理、無線通信等，開發(fā)板配備FMC 接口可讓用戶在不同應用領域快速搭建系統(tǒng)。

FPGA開發(fā)板常用FMC接口，有以下優(yōu)點：

·設計重復利用性：采用FMC 標準，可將現(xiàn)有的 FPGA / 載卡設計重新用到新的 I/O 上，只需更換 FMC 模塊并對 FPGA 設計略作調整。

·兼容性：標準化的電源和規(guī)范的信號定義，使得不同廠家的FMC 子卡和載卡之間具有較好的兼容性。

·多I/O 特性：提供充足的I/O 數(shù)量，且引腳緊密排列，空間占用少，能夠滿足多種不同應用對 I/O 的需求。

市面上通常中高端及以上級別的FPGA 開發(fā)板會配備 FMC 接口

如：EK-U1-KCU105-G

EK-A7-AC701-G

與傳統(tǒng)排針接口相比，F(xiàn)MC接口具有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力，更節(jié)省空間，更具備兼容性、設計復用性和穩(wěn)定性。

01

高數(shù)據(jù)傳輸能力

速率高：FMC 接口支持高達 10Gb/s 的信號傳輸速率，子卡和載卡之間潛在總帶寬達 40Gb/s，而傳統(tǒng)排針一般難以達到如此高的傳輸速率，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/span>

信號質量好：FMC 連接器采用差分信號傳輸?shù)燃夹g，抗干擾能力強，能更好地保證高速信號傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。傳統(tǒng)排針在高速信號傳輸時，容易受到電磁干擾等因素影響，導致信號失真、衰減。

02

高集成度與空間優(yōu)勢

引腳密度高：FMC 連接器有 160 引腳的低引腳數(shù)（LPC）和 400 引腳的高引腳數(shù)（HPC）兩種類型，可在較小空間內提供大量 I/O 接口。

尺寸緊湊：FMC 標準定義了單寬度（69mm76.5mm）和雙寬度（139mm76.5mm）兩種尺寸，模塊設計緊湊，在對空間要求苛刻的應用中更具優(yōu)勢3。

03

兼容性與靈活性

標準統(tǒng)一：FMC 有統(tǒng)一的標準，不同廠家的 FMC 子卡和載卡只要符合標準，就能相互兼容和連接。傳統(tǒng)排針通常沒有這樣統(tǒng)一嚴格的標準，不同廠家的排針在引腳定義、間距、電氣特性等方面可能存在差異，兼容性較差。

引腳分配靈活：FMC 接口可根據(jù)實際需求靈活分配引腳功能，能適應多種不同的應用場景和功能擴展。傳統(tǒng)排針的引腳功能通常在設計時就固定了，后期難以更改。

04

可靠性與穩(wěn)定性

連接穩(wěn)固：FMC 連接器通常采用 BGA 封裝等方式，與電路板的連接更加穩(wěn)固，抗震性能好，能適應惡劣的工作環(huán)境。

抗干擾能力強：FMC 接口的信號完整性設計較好，具備良好的電磁兼容性，能有效抵抗外界電磁干擾，也不會對周圍環(huán)境產生過多的電磁輻射。傳統(tǒng)排針的抗干擾能力相對較弱，在電磁環(huán)境復雜的情況下，可能會影響系統(tǒng)的正常運行。

05

設計復用性

模塊可替換：采用FMC 標準的設計，可通過更換 FMC 模塊并對 FPGA 設計略作調整，將現(xiàn)有的 FPGA / 載卡設計應用到新的 I/O 上，提高了設計的復用性，縮短了開發(fā)周期，降低了成本。

便于升級維護：當需要對系統(tǒng)進行升級或維護時，只需更換相應的FMC 子卡，而無需對整個系統(tǒng)進行大規(guī)模的改動。傳統(tǒng)排針連接的系統(tǒng)在升級或維護時，可能需要重新設計和布線，工作量大，成本高。

盤古100Pro+開發(fā)板擴展底板預留了一組FMC LPC擴展口，符合FMC接口規(guī)范，可用于外接FMC模塊。

*盤古100 Pro+開發(fā)板FMC接口

盤古100Pro+開發(fā)板FMC擴展口共擴展24對差分IO（盤古200Pro+開發(fā)板FMC擴展口共擴展34對差分IO），1路I2C總線信號，一路 HSSTLP 高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)信號以及為 HSSTLP 提供的一路參考時鐘。FMC擴展的差分信號分別連接在BANK L6、BANK L5、BANK L4、BANK L7上，其中BANK L6的IO電壓由L6_VADJ決定，BANK L7的IO電壓由L7_VADJ決定，底板L6_VADJ和L7_VADJ使用相同電源，可通過跳線帽座連接J20處和J24處的不同針腳決定為3.3V或2.5V或1.8V。

* FMC擴展IO子卡接口圖

FMC擴展IO子卡（型號：MES-FMC-LPC-IO）為FPGA開發(fā)板FMC接口擴展2路40pin擴展IO，共68個用戶IO，提供豐富的IO連接外部設備，40pin擴展IO與小眼睛科技FPGA開發(fā)板的40pin IO線序一致，配套外設模塊在子卡上可直接連接使用。FMC擴展子卡上6個SMA接口連接一路高速串行收發(fā)器和一路高速串行收發(fā)器參考時鐘輸入，支持高速數(shù)據(jù)傳輸。

FMC擴展IO子卡的2路40pin擴展IO可連接小眼睛科技雙目攝像頭模塊、ADC-DAC模塊、或通過PMOD擴展模塊連接多種PMOD模塊（如：音頻輸入模塊、音頻輸出模塊、1.3寸OLED屏模塊、分頻器模塊、蜂鳴器模塊等），此外擴展SMA_HSST接口可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

*FMC外接雙目攝像頭演示

*FMC外接ADDA模塊演示

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