FMC、FMC+ 详解
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FMC 简介
FPGA 对 I/O 需求的变化适应性很强。在重新配置 FPGA 以实现新协议之后，只需更换物理 I/O 组件和连接器即可。除非 I/O 组件在扩展卡模块，否则需要改变板级设计。为了避免与设计变更相关的成本和工作量，设计人员一直依赖于 PCI Mezzanine Card (PMC) 和 Switched Mezzanine Card (XMC) 标准。然而，这些标准是多年前为单板计算机（SBCs）等通用解决方案开发的，而不是 FPGA。2008 年 7 月，随着美国国家标准协会（ANSI）批准和发布 VITA 57 FPGA Mezzanine Card (FMC) 标准，这种情况发生了变化。
下图为普通板级设计和基于 FMC 扩展卡的设计的区别：
FMC 标准由从 FPGA 供应商到最终用户的公司联盟开发，旨在为位于基板（载卡）上的 FPGA 提供标准的扩展卡外形、连接器和模块化接口。以这种方式将 I/O 接口与 FPGA 解耦，简化了 I/O 接口模块设计，同时最大限度地提高了载卡的可重复使用能力。与使用 PCI、PCI-X、PCle 或 Serial RapidIO 等复杂接口的 PMC 和 XMC 标准不同，FMC 标准只需要直接连接到载卡上的 FPGA 的核心 I/O 和收发器电路。复杂接口标准在 FMC 扩展卡上实现。如下图所示，FMC 扩展卡可以支持以下接口标准：
- 模拟 I/O：ADC 和 DAC
- 数字并行 I/O：例如，Camera Link，LVDS，FPDP
- 数字高速串行 I/O：例如，光纤，串行 FPDP，Gb/10Gb 以太网
FMC 标准为电路板开发人员提供稳定，直接和兼容的标准。FMC 标准的优点如下：
- 减少对扩展卡上复杂协议逻辑的需求
- 最大限度地提高数据吞吐量
- 最大限度地降低延迟
- 降低 FPGA 设计复杂性
- 最大限度地减少系统开销
比 PMCI、XMC 扩展卡具有更好的散热性能
FMC 标准定义了单宽度（69mm x 76.5mm）和双宽度（139mm x 76.5mm）的外形标准。单宽度模块支持单个连接器连接到载卡。双宽度模块专为需要额外带宽、更多前面板空间或更大 PCB 面积的应用而设计，最多支持两个连接器。FMC 标准的两个外观标准提供了额外的灵活性，可以根据空间、I/O 需求优化电路板。
一旦选定了外形尺寸，电路板开发人员就可以从两种不同的连接器中进行选择，作为从 FMC 标准到载卡上 FPGA 的接口：具有 160 引脚的低引脚数（LPC）连接器和具有 400 引脚的高引脚数（HPC）连接器。两者都支持高达 2 Gb/s 的单端和差分信号，以及高达 10 Gb/s 的 FPGA 串行收发器信号。LPC 连接器提供 68 个用户定义的单端信号（或 34 个用户定义的差分信号）。它还提供了 1 对串行收发器信号、时钟、一个 JTAG 接口和一个 I2C 接口，作为对基本智能平台管理接口（IPMI）命令的可选支持。HPC 连接器提供 160 个用户定义的单端信号（或 80 个用户定义的差分信号），10 对串行收发器信号和额外的时钟。
HPC 和 LPC 连接器使用相同的机械结构。唯一的区别是哪些信号是实际上被使用的。因此，具有LPC 连接器的扩展卡可以插入到 HPC 端子，并且如果设计得当，当插入到 LPC 端子时，具有 HPC 连接器的扩展卡可以提供功能的子集。下图显示了 Xilinx 的一个开发板，它具有 Virtex®-6 FPGA 和两个 FMC 连接器（一个 LPC 和一个 HPC）。
FMC 引脚输出定义
High-pin count (HPC) connector, HPC pinout
HPC 连接器有 10 排（A、B、C、D、E、F、G、H、J、K），每排 40Pin。下表总结了 HPC 连接器的引脚。
HPC connector pin summary
| General pin function | Pin count |
|---|---|
| Gigabit data | 40 |
| Gigabit clocks | 4 |
| User data | 160 |
| User clocks | 8 |
| I2C | 2 |
| JTAG | 5 |
| State flags | 5 |
| Power supply | 15 |
| Ground | 159 |
| Reserved | 2 |
Footprints can be viewed in Lib_Altium repository.
Low-pin count (LPC) connector, LPC pinout
LPC 连接器有 4 排（C， D， G， H），每排 40Pin。下表总结了 LPC 连接器的引脚。
LPC connector pin summary
| General pin function | Pin count |
|---|---|
| Gigabit data | 4 |
| Gigabit clocks | 2 |
| User data | 68 |
| User clocks | 4 |
| I2C | 2 |
| JTAG | 5 |
| State flags | 4 |
| Power supply | 10 |
| Ground | 61 |
Footprints can be viewed in Lib_Altium repository.
Pin and signal description
FMC+ 简介
FMC+ 是 FMC 的增强功能。它将 FPGA 串行收发器信号从 10 对增加到 32 对，数据速率高达 28Gbps。FMC+ 载卡允许向后兼容 FMC 扩展卡。FMC 要求由 ANSI/VITA 57.1 标准定义。FMC+ 要求由 ANSI/VITA57.4 标准定义。
VITA57 标准更新历史
VITA57.4 标准推出的原因
FMC+ 引脚输出定义
Altera 开发板的 FMC 引脚定义
英特尔® Arria® 10 GX FPGA 开发套件
订购代号：DK-DEV-10AX115S-A
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/fpga/development-kits/arria/10-gx.html
Xilinx 开发板的 FMC 引脚定义
AMD Kintex 7 FPGA KC705 评估套件
https://china.xilinx.com/content/xilinx/zh/products/boards-and-kits/ek-k7-kc705-g.html
主板原理图（需注册 AMD 账号才可下载）：
https://china.xilinx.com/member/forms/download/design-license.html?cid=188020&filename=kc705_Schematic_xtp132_rev1_1.pdf
AMD Virtex 7 FPGA VC709 连接功能套件
https://china.xilinx.com/products/boards-and-kits/dk-v7-vc709-g.html
主板原理图（需注册 AMD 账号才可下载）：
https://china.xilinx.com/member/forms/download/design-license.html?cid=201032&filename=vc709_Schematic_xtp213_rev1_0.pdf
ALINX 开发板
Xilinx Kintex UltraScale FMC HPC PCIE 光纤 FPGA 开发板 XCKU040 AXKU041
主板原理图：
https://www.alinx.com/public/upload/file/AXKU041_UG.pdf
参考资料：
- https://fmchub.github.io/appendix/VITA57_FMC_HPC_LPC_SIGNALS_AND_PINOUT.html
- ANSI/VITA 57.1-2008
- Overview of VITA57 – FMC, Curtiss Wright, www.vita.com/Resources/Learn/FMC%20Overview.pptx
- I/O Design Flexibility with the FPGA Mezzanine Card (FMC), Xilinx WP315
- FMCHUB - FPGA MEZZANINE CARDs
- Lib_Altium, Altium Designer libraries for ANSI/VITA 57 FPGA Mezzanine Card (FMC) Standard
- FMC LPC Breakout board, Datasheet of Open-source hardware FMC module