FMC 簡介

FPGA 對 I/O 需求的變化適應性很強。在重新配置 FPGA 以實現新協議之后，只需更換物理 I/O 組件和連接器即可。除非 I/O 組件在擴展卡模塊，否則需要改變板級設計。為了避免與設計變更相關的成本和工作量，設計人員一直依賴于 PCI Mezzanine Card (PMC) 和 Switched Mezzanine Card (XMC) 標準。然而，這些標準是多年前為單板計算機（SBCs）等通用解決方案開發的，而不是 FPGA。2008 年 7 月，隨著美國國家標準協會（ANSI）批準和發布 VITA 57 FPGA Mezzanine Card (FMC) 標準，這種情況發生了變化。
下圖為普通板級設計和基于 FMC 擴展卡的設計的區別：


FMC 標準由從 FPGA 供應商到最終用戶的公司聯盟開發，旨在為位于基板（載卡）上的 FPGA 提供標準的擴展卡外形、連接器和模塊化接口。以這種方式將 I/O 接口與 FPGA 解耦，簡化了 I/O 接口模塊設計，同時最大限度地提高了載卡的可重復使用能力。與使用 PCI、PCI-X、PCle 或 Serial RapidIO 等復雜接口的 PMC 和 XMC 標準不同，FMC 標準只需要直接連接到載卡上的 FPGA 的核心 I/O 和收發器電路。復雜接口標準在 FMC 擴展卡上實現。如下圖所示，FMC 擴展卡可以支持以下接口標準：

• 模擬 I/O：ADC 和 DAC
• 數字并行 I/O：例如，Camera Link，LVDS，FPDP
• 數字高速串行 I/O：例如，光纖，串行 FPDP，Gb/10Gb 以太網

FMC 標準為電路板開發人員提供穩定，直接和兼容的標準。FMC 標準的優點如下：

1. 減少對擴展卡上復雜協議邏輯的需求

• 最大限度地提高數據吞吐量
• 最大限度地降低延遲
• 降低 FPGA 設計復雜性
• 最大限度地減少系統開銷

2. 比 PMCI、XMC 擴展卡具有更好的散熱性能
   

FMC 標準定義了單寬度（69mm x 76.5mm）和雙寬度（139mm x 76.5mm）的外形標準。單寬度模塊支持單個連接器連接到載卡。雙寬度模塊專為需要額外帶寬、更多前面板空間或更大 PCB 面積的應用而設計，最多支持兩個連接器。FMC 標準的兩個外觀標準提供了額外的靈活性，可以根據空間、I/O 需求優化電路板。

一旦選定了外形尺寸，電路板開發人員就可以從兩種不同的連接器中進行選擇，作為從 FMC 標準到載卡上 FPGA 的接口：具有 160 引腳的低引腳數（LPC）連接器和具有 400 引腳的高引腳數（HPC）連接器。兩者都支持高達 2 Gb/s 的單端和差分信號，以及高達 10 Gb/s 的 FPGA 串行收發器信號。LPC 連接器提供 68 個用戶定義的單端信號（或 34 個用戶定義的差分信號）。它還提供了 1 對串行收發器信號、時鐘、一個 JTAG 接口和一個 I2C 接口，作為對基本智能平臺管理接口（IPMI）命令的可選支持。HPC 連接器提供 160 個用戶定義的單端信號（或 80 個用戶定義的差分信號），10 對串行收發器信號和額外的時鐘。

HPC 和 LPC 連接器使用相同的機械結構。唯一的區別是哪些信號是實際上被使用的。因此，具有LPC 連接器的擴展卡可以插入到 HPC 端子，并且如果設計得當，當插入到 LPC 端子時，具有 HPC 連接器的擴展卡可以提供功能的子集。下圖顯示了 Xilinx 的一個開發板，它具有 Virtex?-6 FPGA 和兩個 FMC 連接器（一個 LPC 和一個 HPC）。

FMC 引腳輸出定義

High-pin count (HPC) connector, HPC pinout

HPC 連接器有 10 排（A、B、C、D、E、F、G、H、J、K），每排 40Pin。下表總結了 HPC 連接器的引腳。
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 連接器有 4 排（C， D， G， H），每排 40Pin。下表總結了 LPC 連接器的引腳。
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+ 簡介

FMC+ 是 FMC 的增強功能。它將 FPGA 串行收發器信號從 10 對增加到 32 對，數據速率高達 28Gbps。FMC+ 載卡允許向后兼容 FMC 擴展卡。FMC 要求由 ANSI/VITA 57.1 標準定義。FMC+ 要求由 ANSI/VITA57.4 標準定義。

VITA57 標準更新歷史

VITA57.4 標準推出的原因

FMC+ 引腳輸出定義

Altera 開發板的 FMC 引腳定義

英特爾? Arria? 10 GX FPGA 開發套件

訂購代號：DK-DEV-10AX115S-A
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/products/details/fpga/development-kits/arria/10-gx.html

主板原理圖：
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/content-details/649803/arria-10-fpga-development-kit-dk-dev-10ax115s-a-board-schematic.html

Xilinx 開發板的 FMC 引腳定義

AMD Kintex 7 FPGA KC705 評估套件

https://china.xilinx.com/content/xilinx/zh/products/boards-and-kits/ek-k7-kc705-g.html

主板原理圖（需注冊 AMD 賬號才可下載）：
https://china.xilinx.com/member/forms/download/design-license.html?cid=188020&filename=kc705_Schematic_xtp132_rev1_1.pdf

AMD Virtex 7 FPGA VC709 連接功能套件

https://china.xilinx.com/products/boards-and-kits/dk-v7-vc709-g.html

主板原理圖（需注冊 AMD 賬號才可下載）：
https://china.xilinx.com/member/forms/download/design-license.html?cid=201032&filename=vc709_Schematic_xtp213_rev1_0.pdf

ALINX 開發板

Xilinx Kintex UltraScale FMC HPC PCIE 光纖 FPGA 開發板 XCKU040 AXKU041

主板原理圖：
https://www.alinx.com/public/upload/file/AXKU041_UG.pdf

參考資料：

1. https://fmchub.github.io/appendix/VITA57_FMC_HPC_LPC_SIGNALS_AND_PINOUT.html
2. ANSI/VITA 57.1-2008
3. Overview of VITA57 – FMC, Curtiss Wright, www.vita.com/Resources/Learn/FMC%20Overview.pptx
4. I/O Design Flexibility with the FPGA Mezzanine Card (FMC), Xilinx WP315
5. FMCHUB - FPGA MEZZANINE CARDs
6. Lib_Altium, Altium Designer libraries for ANSI/VITA 57 FPGA Mezzanine Card (FMC) Standard
7. FMC LPC Breakout board, Datasheet of Open-source hardware FMC module