FMC 简介
在 FPGA 设计中，I/O 接口的灵活性至关重要。当需要适配新协议时，通常只需更换物理 I/O 组件和连接器即可，除非这些组件位于扩展卡模块中，否则往往涉及板级设计的变更。为了规避频繁修改设计带来的成本与工作量，工程师们长期依赖 PMC 和 XMC 标准。然而，这些标准早年是为单板计算机等通用方案设计的，并非专为 FPGA 优化。
2008 年 7 月，随着 ANSI 批准发布 VITA 57 FPGA Mezzanine Card (FMC) 标准，这一局面得到了改善。FMC 标准由从 FPGA 供应商到最终用户的公司联盟共同开发，旨在为基板上的 FPGA 提供标准的扩展卡外形、连接器和模块化接口。这种设计将 I/O 接口与 FPGA 解耦，简化了接口模块的开发，同时最大程度提高了载板的复用能力。
与使用 PCI、PCIe 或 Serial RapidIO 等复杂接口的旧标准不同，FMC 仅需直接连接载板上的 FPGA 核心 I/O 和收发器电路，复杂接口逻辑则在扩展卡上实现。这使得 FMC 扩展卡能够支持多种接口标准：
- 模拟 I/O：ADC 和 DAC
- 数字并行 I/O：如 Camera Link、LVDS、FPDP
- 数字高速串行 I/O：如光纤、Gb/10Gb 以太网
该标准为电路板开发人员提供了稳定、直接且兼容的规范。其优势包括减少对扩展卡上复杂协议逻辑的需求，从而最大化数据吞吐量、降低延迟及系统开销。此外，相比 PMC 或 XMC，FMC 具有更好的散热性能。
FMC 定义了单宽度（69mm x 76.5mm）和双宽度（139mm x 76.5mm）的外形。单宽度模块通过单个连接器连接载板；双宽度模块则针对需要额外带宽、更多前面板空间或更大 PCB 面积的应用，最多支持两个连接器。选定外形后，开发人员可从两种连接器中选择：
- 低引脚数 (LPC)：160 引脚，提供 68 个用户定义的单端信号（或 34 个差分信号），支持 1 对串行收发器、时钟、JTAG 及 I2C 接口。
- 高引脚数 (HPC)：400 引脚，提供 160 个用户定义的单端信号（或 80 个差分信号），支持 10 对串行收发器和额外的时钟。
两者均支持高达 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。由于机械结构相同，LPC 扩展卡可插入 HPC 端子，而 HPC 扩展卡在 LPC 端子上也能作为功能子集运行。
FMC 引脚输出定义
High-pin count (HPC) 连接器
HPC 连接器包含 10 排（A 至 K），每排 40Pin。主要引脚功能统计如下：
| 通用引脚功能 | 引脚数量 |
|---|---|
| Gigabit 数据 | 40 |
| Gigabit 时钟 | 4 |
| 用户数据 | 160 |
| 用户时钟 | 8 |
| I2C | 2 |
| JTAG | 5 |
| 状态标志 | 5 |
| 电源 | 15 |
| 地线 | 159 |
| 保留 | 2 |
Low-pin count (LPC) 连接器
LPC 连接器包含 4 排（C, D, G, H），每排 40Pin。主要引脚功能统计如下：
| 通用引脚功能 | 引脚数量 |
|---|---|
| Gigabit 数据 | 4 |
| Gigabit 时钟 | 2 |
| 用户数据 | 68 |
| 用户时钟 | 4 |
| I2C | 2 |
| JTAG | 5 |
| 状态标志 | 4 |
| 电源 | 10 |
| 地线 | 61 |
引脚与信号描述
具体的引脚分配需参考 VITA 57 标准文档中的详细信号映射表，确保时序与电气特性符合规范。
FMC+ 简介
FMC+ 是 FMC 的增强版本，主要将 FPGA 串行收发器信号从 10 对增加至 32 对，数据速率提升至 28Gbps。FMC+ 载板允许向后兼容原有的 FMC 扩展卡。FMC 要求遵循 ANSI/VITA 57.1 标准，而 FMC+ 则由 ANSI/VITA 57.4 标准定义。
VITA 57 标准经历了多次更新以应对日益增长的高速接口需求，FMC+ 的推出正是为了解决原有标准在带宽和速率上的瓶颈。
常见开发板 FMC 引脚定义
在实际工程中，不同厂商的开发板对 FMC 引脚的映射可能略有差异，以下列举几种典型平台的配置情况：
英特尔 Arria 10 GX FPGA 开发套件
型号：DK-DEV-10AX115S-A。该套件提供了完整的原理图供查阅，重点关注主板与 FMC 接口的电气连接关系。
AMD Xilinx 系列评估套件
- Kintex 7 KC705：经典的 FPGA 评估平台，原理图公开，适合学习基础 FMC 接口应用。
- Virtex 7 VC709：连接功能套件，支持更复杂的接口扩展，需注意注册获取相关设计许可文件。
ALINX 开发板
例如基于 Xilinx Kintex UltraScale 的 AXKU041 开发板，支持 FMC HPC PCIe 光纤接口。此类第三方板卡通常会在用户指南中提供详细的引脚映射表，便于快速上手。
参考资料
- VITA 57 FMC HPC/LPC 信号与引脚定义
- ANSI/VITA 57.1-2008
- Overview of VITA57 – FMC
- 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 Standard
- FMC LPC Breakout board Datasheet
