夾層模塊的優(yōu)點和比較

用于軍事/航空航天應用的開放式架構嵌入式系統(tǒng)一直依靠夾層或子卡來提供靈活性和模塊化，因為它們在處理所需的各種I/O功能方面非常有效。由于廣泛采用定義這些夾層產(chǎn)品的行業(yè)標準，載板能夠接受來自各種供應商的夾層板，每個供應商都專注于利基技術和接口。

如今，三種流行的夾層標準主導著嵌入式市場：

? PMC（PCI夾層卡）? XMC（交換夾層卡）? FMC（FPGA夾層卡）

這些夾層支持所有流行的行業(yè)架構，包括 VME、VXS、VPX、AMC、CompactPCI 和 CompactPCI 串行，適用于 3U 和 6U 外形，并涵蓋一系列冷卻技術和加固級別，這對于航空航天和軍事電子產(chǎn)品尤其重要。這三個夾層標準中的每一個都有一套獨特的優(yōu)點和缺點。

夾層模塊標準

PMC 在 15 年前根據(jù) IEEE 1386.1 標準定義，使用 IEEE 1386 CMC（通用夾層卡）的機械尺寸，增加了多達四個 64 針連接器來實現(xiàn) 32 位或 64 位 PCI 總線以及用戶 I/O。

兩個連接器 P11 和 P12（請參閱圖 1）處理 32 位 PCI 總線，通過添加 P13 連接器可擴展到 64 位。32 位接口以 33 或 66 MHz 的 PCI 總線時鐘速度運行，峰值傳輸速率分別為每秒 132 MB 或 264 MB，是 64 位接口的兩倍。

后來的擴展稱為PCI-X，將時鐘速率提高到100或133 MHz，對于64位實現(xiàn)，峰值傳輸速率為每秒800或1000 MB。可選的 P14 連接器支持 64 位用戶定義的 I/O。隨著大眾市場PC的互連技術開始從并行PCI總線轉(zhuǎn)向更快的PCIe（PCI Express）千兆串行鏈路，夾層模塊的類似遷移需求變得明顯。

XMC 模塊在 VITA 42 中定義為 PMC 模塊的交換結構擴展。它需要一個或兩個多針連接器，稱為主 （P15） 和次 （P16） XMC 連接器，如圖 1 所示。每個連接器可以處理八個雙向串行通道，每個方向使用一對差分引腳。VITA 42.3 子規(guī)范定義了 PCIe 的引腳分配，而 VITA 42.2 涵蓋了 SRIO（SerialRapidIO）。

通常，每個 XMC 連接器都用作單個 x8 邏輯鏈路或兩個 x4 鏈路，盡管還定義了其他配置。XMC 模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于千兆串行協(xié)議和每個邏輯鏈路的通道數(shù)。表 1 顯示了不同配置和協(xié)議的峰值速率，與峰值 PMC 速率相比具有優(yōu)勢。

FMC 模塊在 VITA 57 規(guī)范中定義，旨在用作 FPGA 的 I/O 模塊。它們與 CMC 外形不同，空間不到 CMC 外形尺寸的一半，如圖 1 右上角所示。支持兩種不同的連接器：具有 160 個觸點的低引腳數(shù) （LPC） 連接器和具有 400 個觸點的高引腳數(shù) （HPC） 連接器。連接器引腳通常針對電源、數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)進行定義，并根據(jù)設計提供特定的實現(xiàn)方式。

FMC 模塊依靠載板 FPGA 為 FMC 組件提供必要的接口。這些可以是單端或差分并行數(shù)據(jù)總線、千兆串行鏈路、時鐘和控制信號，用于初始化、定時、觸發(fā)、選通和同步。對于數(shù)據(jù)，高密度FMC連接器提供80個差分對或160個單端線。它還具有 10 個高速千兆串行通道，每個方向都有差分對。

為了支持使用JESD204B千兆串行接口而不是并行LVDS的新型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件，F(xiàn)MC規(guī)范已增強為FMC+。在 VITA 57.4 中定義，它通過具有另外四排引腳的 HPC 連接器的全新、更高速版本，將千兆串行通道的數(shù)量從 10 個增加到 24 個。FMC+ 的新連接器的額定數(shù)據(jù)速率高達每秒 28 Gbits。

VITA 57.4 可選擇將原始 FMC 模塊的長度延長 12 mm 以支持新的 40 引腳連接器，從而為 FMC+ 模塊再增加 8 個千兆串行通道，如圖 1 右下角所示。當需要最大I/O數(shù)據(jù)速率時，這將全雙工千兆串行通道的總數(shù)增加到32個。

應該注意的是，所有這三個夾層也都有雙寬版本，在規(guī)格中完全定義。這為更多組件提供了額外的空間。然而，當今市場上絕大多數(shù)夾層都是單寬度設計。

最后，所有三個規(guī)格（PMC、FMC 和 FMC）都包括這些夾層產(chǎn)品的堅固型和傳導冷卻型的完整規(guī)格，因此它們可以部署在極端的航空航天和軍事環(huán)境中。

數(shù)據(jù)傳輸功能

關于數(shù)據(jù)傳輸速率，PMC 和 XMC 模塊由安裝的接口標準決定。然而，這些速率通常以多種方式受到載板的影響。支持其他流量的共享 PCI 總線將有效地阻止到 PMC 的所有傳輸，直到授予其使用該總線的權限。例如，在雙 PMC SBC（單板計算機）上會出現(xiàn)此問題，其中兩個 PMC 通常共享相同的本地 PCI 總線。

此外，當 PMC 安裝在簡單的 3U CompactPCI 載波上時，公共 PCI 背板必須在安裝在插件架中的所有主板之間共享。最后，向 PMC 模塊提供較低速度 PCI 總線的載卡或適配器將強制模塊以較低的速度運行其接口。

XMC 與 PMC 相比具有固有的數(shù)據(jù)速率優(yōu)勢，因為它們使用快速千兆串行鏈路。即使是最慢的 x4 PCIe 1.0 接口，也能與 133 MHz 的最快 PCI-X 64 位總線相匹配。但是，千兆位串行接口的主要系統(tǒng)級影響是它們是專用的點對點鏈路，不受并行總線共享損失的影響。表 1（上圖）顯示了不同寬度千兆串行鏈路的 PCIe 和 SRIO 峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。

最終，任何系統(tǒng)都會有 CPU 和內(nèi)存帶寬限制，但新的多核處理器和芯片組具有 40 多個 PCIe Gen3 通道，每個通道處理 1 GB/秒，以及四個 DDR3 內(nèi)存插槽，每個通道提供每秒 12.8 GB 的傳輸速率。在這些系統(tǒng)中，XMC 和系統(tǒng)之間的專用 x8 PCIe 鏈路支持 8 GB/秒的可觀傳輸速率。

與 PMC 和 XMC 不同，F(xiàn)MC 不使用 PCI 或 PCIe 等行業(yè)標準接口。相反，每個FMC都有一組獨特的控制線和數(shù)據(jù)路徑，每個控制線和數(shù)據(jù)路徑的信號電平、數(shù)量、位寬和速度都不同。在1 GHz數(shù)據(jù)時鐘速率下，80條差分數(shù)據(jù)線每秒可提供10 GB，盡管新的FMC+規(guī)范使這些速率翻了一番。

最初的FMC規(guī)范為十個串行通道中的每一個設定了10 Gbits/sec的設計目標，提供每秒10 GB的峰值聚合數(shù)據(jù)速率。新的FMC+規(guī)范為每秒28 Gbits，最多32個串行通道，將這種聚合峰值數(shù)據(jù)速率提高到每秒近90 GB。

不動產(chǎn)和電力注意事項

FMC 模塊的尺寸不到 PMC 和 XMC 的一半，空間更小意味著戰(zhàn)略性地放置用于屏蔽、隔離和散熱的組件的自由度更小。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器對來自電源、電壓層和相鄰銅跡線的雜散信號拾取極其敏感。通常，為了獲得最佳效果，必須在與A/D轉(zhuǎn)換器相同的電路板上重新調(diào)節(jié)和濾波所需的電源線，而不是在載板上。在小型FMC模塊上布置此電路可能具有挑戰(zhàn)性。盡管 XMC 模塊具有更多組件，但由于電路板尺寸較大，它們通?？梢愿菀椎刂匦屡帕?。

FMC 要求 FPGA 駐留在載板上，而基于 FPGA 的 XMC 模塊在夾層板上包含 FPGA。示意性地，前端和系統(tǒng)總線之間的整體電路可能幾乎相同，但物理分區(qū)發(fā)生在兩個不同的點。

為了說明這一點，圖 2 顯示了用于 3U OpenVPX 的 4 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器軟件無線電模塊的兩種不同實現(xiàn)，非常適合航空航天和軍事應用。請注意，兩個框圖具有相同的 A/D 轉(zhuǎn)換器和 FPGA，并為 OpenVPX 背板提供相同的 x8 PCIe 接口。頂部的 XMC 實現(xiàn)使用 FPGA 和背板之間的 XMC 連接器，而下面的 FMC 實現(xiàn)使用 A/D 和 FPGA 之間的 FMC 連接器。

由于大部分功耗由FPGA消耗，因此比較FMC和XMC模塊之間的功耗將非常有利于FMC。但是，由于兩個框圖中使用相同的資源，因此整體3U模塊功耗幾乎相同。

在PMC、XMC和FMC模塊之間的比較中，還有一個額外的因素。在FPGA中實現(xiàn)的千兆串行接口通常比并行總線接口消耗更多的功率。因此，在考慮 PMC 產(chǎn)品與 XMC/FMC 產(chǎn)品時，PMC 模塊的 PCI 總線通常比 PCIe 鏈路消耗更少的功率。當然，PCIe 所需的額外功率在速度和連接性方面都帶來了巨大的優(yōu)勢。

軟件和 FPGA 開發(fā)問題

每個FMC都提供一個獨特的電氣接口，必須連接到精確配置的FPGA以處理該特定設備。如果FMC模塊和FMC載波都由同一供應商提供，并且載波上的FPGA由供應商為安裝的特定FMC模塊預先配置，則這可能是一個合理的解決方案。

對于具有兩個或三個FMC站點的6U載波，必須配置FPGA以匹配每個站點上安裝的每個FMC模塊的特定組合。這種FMC到FPGA的依賴性可能會產(chǎn)生大量組合，從而導致配置管理和客戶支持問題。這可能意味著首次組合的交貨時間更長，成本更高。此外，供應商可能不會為所需的外形尺寸或系統(tǒng)架構提供FMC載體。

當客戶從一個供應商處購買FMC模塊，從另一個供應商購買FMC載體時，會出現(xiàn)其他挑戰(zhàn)。必須有人為載波開發(fā)定制的FPGA配置代碼，以支持FMC模塊。也許FMC供應商會同意為第三方運營商開發(fā)代碼。也許運營商供應商會為第三方FMC模塊開發(fā)代碼。

如果這些策略中的任何一種都失敗，客戶必須自己配置FPGA，或聘請顧問來完成這項工作。在這種情況下，F(xiàn)MC 模塊和 FMC 載體都是具有兩種不同技術支持資源的第三方產(chǎn)品。如果某些事情不起作用，則很難以高效和有效的方式解決問題。而且，如果FMC模塊供應商或FMC運營商供應商修改其產(chǎn)品，可能會影響兩塊板的互操作性。

也許FMC最具挑戰(zhàn)性的方面是軟件驅(qū)動程序和電路板支持庫的開發(fā)，涵蓋了模塊和載波的無數(shù)組合。除非由同時提供FMC模塊和載波的單一供應商提供，否則可能會出現(xiàn)上述FPGA開發(fā)支持的和開發(fā)問題。

相比之下，PMC 和 XMC 使用行業(yè)標準系統(tǒng)接口，通常是 PCI 和 PCIe，并且強烈傾向于采用 PCIe 的 XMC。幾乎所有最新的嵌入式系統(tǒng)都利用廣泛采用的 PCIe 標準來互連系統(tǒng)元件。這包括 VXS、VPX、AMC 和 CompactPCI，以及使用安裝在主板擴展插槽中的 PCIe 卡的高性能 PC 平臺。

由于 PCIe 是大多數(shù) XMC 上的系統(tǒng)接口，因此可以直接安裝它們，也可以使用簡單的機械適配器安裝到所有這些系統(tǒng)架構中。最重要的是，這些適配器可以從各種供應商處獲得，因為它們只是重定向PCIe總線，因此無需任何人為新組合開發(fā)自定義FPGA代碼。

為流行的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)的設備驅(qū)動程序和應用軟件無論架構如何，都能正常工作。這是由于 PCIe 通過橋接器、交換機、擴展器電纜和擴展機箱的固有連接，無論主板、模塊和背板的外形尺寸如何。

所有這些因素都大大減少了對 XMC 供應商的依賴以及解決多供應商責任的問題。XMC利用行業(yè)標準系統(tǒng)接口，無需定制FPGA開發(fā)，輕松支持各種系統(tǒng)架構，并附帶完整的軟件驅(qū)動程序和電路板支持庫。這可以大大節(jié)省系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)成本，這對于MIL/AERO項目預算和進度非常重要。

基于 3U VPX XMC 的示例

有關演示這些功能的 Pentek 產(chǎn)品的信息，請參閱此處的Onyx 型號 52761 3U VPX 模塊。

總結

表2總結了本文中討論的要點，比較了PMC、XMC、FMC和FMC+模塊。軍事和航空航天系統(tǒng)集成商必須權衡每種產(chǎn)品的優(yōu)缺點，請記住，這三者都有適合在惡劣環(huán)境中部署的堅固版本。擁有數(shù)百家供應商和數(shù)千種產(chǎn)品，設計師有許多可用的選擇。

只要同一供應商同時為夾層模塊和載體提供經(jīng)過測試和安裝的FPGA配置代碼（如FlexorSet產(chǎn)品），F(xiàn)MC模塊就可以非常有效。此外，由于基于PCIe的鏈路、載波、背板和適配器的激增，XMC模塊為嵌入式系統(tǒng)提供了出色的解決方案。這消除了為每個新應用定制FPGA開發(fā)工作的需要，最大限度地減少了產(chǎn)品支持問題，并加快了開發(fā)周期。

審核編輯：郭婷