FMC連接器詳解

一、FMC連接器概述

FMC（FPGA Mezzanine Card）連接器是一種高速、多引腳（pin）的互連器件，廣泛應(yīng)用于板卡對(duì)接的設(shè)備中，特別是在Xilinx公司的開發(fā)板上得到了普遍使用。FMC標(biāo)準(zhǔn)描述了一個(gè)通用的模塊，它是以一定范圍的應(yīng)用、環(huán)境和市場(chǎng)為目標(biāo)的。該標(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)的夾層板（子卡）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。

二、FMC連接器的型號(hào)

FMC連接器的型號(hào)多樣，主要由美國(guó)Samtec公司設(shè)計(jì)的高密度高速連接器組成。以下是兩種主要的FMC連接器型號(hào)：

1. 低引腳數(shù)（LPC）連接器：

• 引腳數(shù)量：160個(gè)引腳

• 支持信號(hào)傳輸速率：高達(dá)2Gb/s的單端和差分信號(hào)傳輸速率

• 特殊接口：1個(gè)串行收發(fā)器、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

• 應(yīng)用場(chǎng)景：適用于引腳需求較少，但要求一定信號(hào)傳輸速度和功能的場(chǎng)合

2. 高引腳數(shù)（HPC）連接器：

• 引腳數(shù)量：400個(gè)引腳

• 支持信號(hào)傳輸速率：高達(dá)2Gb/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)10Gb/s

• 特殊接口：160個(gè)用戶定義的單端信號(hào)（或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

• 應(yīng)用場(chǎng)景：適用于需要大量引腳、高數(shù)據(jù)傳輸速度和復(fù)雜功能的場(chǎng)合

三、FMC連接器的工作原理

FMC連接器的工作原理基于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，其核心在于將I/O接口與FPGA分離，通過(guò)FMC標(biāo)準(zhǔn)定義的夾層板（子卡）與基礎(chǔ)板（載卡）之間的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和功能擴(kuò)展。

1. 模塊化設(shè)計(jì)：

• FMC標(biāo)準(zhǔn)定義了單寬度（69毫米×76.5毫米）和雙寬度（139毫米×76.5毫米）兩種尺寸的模塊。

• 單寬度模塊支持到載卡的單個(gè)連接器，而雙寬度模塊支持多達(dá)兩個(gè)連接器，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。

2. 接口標(biāo)準(zhǔn)化：

• FMC連接器使用Samtec公司設(shè)計(jì)的高密度高速連接器，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退俣取?/span>

• LPC和HPC連接器使用相同的機(jī)械式連接器，但引腳數(shù)量和信號(hào)配置不同，從而提供靈活性和兼容性。

3. 信號(hào)傳輸：

• FMC連接器支持高達(dá)10Gb/s的信號(hào)傳輸速率，子卡和載卡之間潛在總帶寬達(dá)40Gb/s。

• 通過(guò)固定電信號(hào)位置和靈活的引腳分配，F(xiàn)MC標(biāo)準(zhǔn)能夠最大限度地減少設(shè)計(jì)的精力和資源，提高效率。

四、FMC連接器的特點(diǎn)

FMC連接器具有多種顯著特點(diǎn)，使其在FPGA應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1. 設(shè)計(jì)重復(fù)利用性：

• 不管是采用定制的內(nèi)部板設(shè)計(jì)還是商用成品（COTS）子卡或載卡，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。

• 只需更換FMC模塊并對(duì)FPGA設(shè)計(jì)略作調(diào)整即可，降低了開發(fā)成本和時(shí)間。

2. 數(shù)據(jù)吞吐量：

• 支持高達(dá)10Gb/s的信號(hào)傳輸速率，子卡和載卡之間潛在總帶寬達(dá)40Gb/s，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求。

3. 多I/O：

• 提供充足的I/O數(shù)量，緊密排列，空間占用少，適用于高密度、高集成度的應(yīng)用場(chǎng)景。

4. 兼容性：

• 標(biāo)準(zhǔn)化的電源和規(guī)范的信號(hào)定義，增加了不同F(xiàn)MC模塊之間的兼容性。

• 使得第三方板卡能完全兼容Xilinx等FPGA廠商的開發(fā)板，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的配套使用。

5. 穩(wěn)定性：

• 寬面積接觸和BGA封裝，增加了抗震性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

五、FMC連接器的應(yīng)用

FMC連接器在FPGA應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 視頻信號(hào)檢測(cè)與分析：

• 基于FMC接口的2路CameraLink Base輸出子卡模塊，用于高清視頻傳輸與處理、醫(yī)學(xué)影像分析處理等。

• 支持Full CamerLink輸入，采用3M SDR 0.8mm間距的連接器，減小板卡空間大小。

2. 數(shù)字成像與圖像處理：

• 基于spartan6、Virtex5、Virtex6等系列的FPGA測(cè)試?yán)映绦颍糜跀?shù)字成像、圖像分析與測(cè)試等應(yīng)用。

• 利用FMC連接器的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和多I/O特性，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的快速處理和傳輸。

3. 高速數(shù)據(jù)傳輸：

• 在需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，如高速網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，F(xiàn)MC連接器能夠提供高達(dá)40Gb/s的總帶寬。

• 適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。

4. 工業(yè)控制與自動(dòng)化：

• 在工業(yè)控制與自動(dòng)化領(lǐng)域，F(xiàn)MC連接器可用于連接傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和控制。

• 通過(guò)FMC標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的功能和性能。

5. 嵌入式系統(tǒng)：

• 在嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)MC連接器可用于連接各種外設(shè)模塊，如顯示模塊、音頻模塊、通信模塊等。

• 通過(guò)FMC標(biāo)準(zhǔn)，可以靈活地配置和擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。

六、FMC連接器的參數(shù)

FMC連接器的參數(shù)包括物理尺寸、電氣性能、環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)方面，以下是部分關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)介紹：

1. 物理尺寸：

• 單寬度模塊：69毫米×76.5毫米

• 雙寬度模塊：139毫米×76.5毫米

• 安裝孔大小：2.7毫米

2. 電氣性能：

• 信號(hào)傳輸速率：高達(dá)10Gb/s（串行連接器）

• 總帶寬：潛在總帶寬達(dá)40Gb/s（子卡和載卡之間）

• 引腳數(shù)量：LPC連接器160個(gè)引腳，HPC連接器400個(gè)引腳

3. 環(huán)境適應(yīng)性：

• 儲(chǔ)存溫度：商業(yè)級(jí)0℃～+55℃，工業(yè)級(jí)-20℃～+55℃（或-55℃～+125℃，具體取決于應(yīng)用場(chǎng)合）

• 工作濕度：5%～95%，非凝結(jié)

4. 特殊接口與功能：

• LPC連接器：1個(gè)串行收發(fā)器、時(shí)鐘、JTAG接口、I2C接口（可選）

• HPC連接器：10個(gè)串行收發(fā)器對(duì)、更多時(shí)鐘

5. 兼容性：

• 符合ANSI/VITA 57.1-2008 FMC連接標(biāo)準(zhǔn)，確保與Xilinx等FPGA廠商的開發(fā)板兼容。

6. 其他參數(shù)：

• 供電電壓：+3.3V（或其他根據(jù)具體需求定制的電壓）

• 信號(hào)線設(shè)計(jì)：X/Y/Z三組信號(hào)線等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，支持IIC接口等

七、總結(jié)

FMC連接器作為一種高速、多引腳、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的互連器件，在FPGA應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的夾層板（子卡）尺寸、連接器和模塊接口，F(xiàn)MC標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)化了I/O接口模塊設(shè)計(jì)，最大化了載卡的重復(fù)利用率，并帶來(lái)了設(shè)計(jì)重復(fù)利用性、數(shù)據(jù)吞吐量、多I/O、兼容性和穩(wěn)定性等多方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

FMC連接器的型號(hào)多樣，包括LPC和HPC兩種主要類型，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。其工作原理基于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)FMC標(biāo)準(zhǔn)定義的夾層板與基礎(chǔ)板之間的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和功能擴(kuò)展。在視頻信號(hào)檢測(cè)與分析、數(shù)字成像與圖像處理、高速數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)控制與自動(dòng)化以及嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域，F(xiàn)MC連接器都發(fā)揮著重要作用。

通過(guò)深入了解FMC連接器的型號(hào)、工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用和參數(shù)等方面的知識(shí)，我們可以更好地利用這一先進(jìn)的互連器件，推動(dòng)FPGA應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。