Мезонинные модули FMC для построения высокопроизводительных систем обработки сигналов

Требования и подходы к организации внешнего интерфейса ввода-вывода

Одна из самых заметных проблем, с которыми сталкиваются разработчики встраиваемых систем, – это разнообразие технических требований к организации внешнего интерфейса ввода-вывода. Независимо от природы интерфейса: Ethernet с оптическим или «медным» физическим каналом передачи данных, аналоговый или гигабитный последовательный интерфейс, – разработчикам системы необходим эффективный набор средств для создания требуемого сочетания интерфейсов в вычислительной системе.
Одним из способов решения данной проблемы является использование двух­компонентной системы, состоящей из платы-носителя с блоком обработки и мезонинного модуля, служащего для организации ввода/вывода сигналов.
Данный подход хорошо стандартизован и включает несколько форм-факторов мезонинных модулей, таких как PMC и XMC, и носители в специализированном исполнении, наиболее распространёнными из которых являются модули форм-фактора VME, VPX, CompactPCI, AdvancedTCA, MicroTCA, PCI, PXI.
Взаимодействие между несущей платой и мезонинными модулями PMC и XMC основано на шинах PCI и PCI Express соответственно.

Стандарт модулей FMC

Широкое распространение технологии ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема), в частности FPGA (Field-Programmable Gate Array – программируемая пользователем вентильная матрица), только подтвердило правильность подхода, разделяющего компоненты встраиваемой вычислительной системы на устройства ввода/вывода и устройства математической обработки, и эволюционным путём привело к стандартизации модулей ввода/вывода. В 2008 году была завершена разработка кросс-платформенного стандарта ANSI/VITA 57.1 FPGA Mezzanine Card (FMC). Этот стандарт определил конструкцию модуля и физический интерфейс модуля с несущей платой (тип разъёмного соединителя, набор сигналов, их физические характеристики и расположение на контактах соединителя). Протокол взаимодействия модуля с несущей платой стандартом не ограничен ввиду многообразия возможных типов интерфейсов ввода/вывода. Именно это и делает стандарт модулей FMC по-настоящему кросс-платформенным и применимым к любым несущим платам (рис. 1), в отличие от PMC и XMC.

Мезонинные модули FMC имеют форм-фактор с габаритными размерами 69×76,5 мм – одинарной ширины, либо 139×76,5 мм – двойной ширины (рис. 2).

Модули стыкуются в качестве мезонинов со специальными несущими платами обработки данных, содержащими ПЛИС (FPGA). Стандарт определяет два варианта разъёма для стыковки несущего и мезонинного модулей FMC, а именно:

• 160-контактный Low Pin Count (LPC) – 68 пользовательских сигналов (или 34 дифференциальные пары LVDS);
• 400-контактный High Pin Count (HPC) – 160 пользовательских сигналов (или 80 дифференциальных пар LVDS).

Разъёмные соединители LPC и HPC pin-совместимы.
Помимо дифференциальных пар LVDS, стандартом предусмотрены отдельные последовательные высокоскоростные трансиверные линии (trans­ceiver lanes) и линии тактирования для них, обеспечивающие пропускную способность до 1 Гбит/с (в перспективе до 10 Гбит/с) для каждой (причём в HPC таких линий может быть до 10, а в LPC всего одна).

Спецификация FMC+

Для поддержки нового класса преобразователей данных, использующих последовательный интерфейс JESD204B вместо параллельного LVDS, спецификация FMC была улучшена до FMC+. Данная версия, прописанная в VITA 57.4, увеличивает количество последовательных трансиверных линий с 10 до 24 через новую высокоскоростную версию разъёма HPC с ещё четырьмя рядами контактов (разъём HSPC). Новый разъём для FMC+ рассчитан на скорость передачи данных до 28 Гбит/с.
VITA 57.5 дополнительно добавляет ещё восемь гигабитных трансиверных линий в модуль FMC+, увеличивая длину исходного модуля FMC на 12 мм для поддержки нового 40-контактного разъёма (HSPCe), как показано в нижнем правом углу на рис. 1. Это увеличивает общее количество полнодуплексных гигабитных последовательных (трансиверных) линий до 32, что позволяет обеспечить максимальные скорости передачи входных/выходных данных.
FMC, в отличие от PMC и XMC, не используют стандартные отраслевые интерфейсы, такие как PCI или PCIe. Вместо этого FMC-модуль имеет уникальный набор линий управления и передачи данных, каждый из которых отличает-
ся уровнем сигнала, количеством, разрядностью и скоростью. При тактовой частоте 1 ГГц 80 дифференциальных линий передачи данных могут обеспечивать 10 Гбайт/c, хотя новая спецификация FMC+ удваивает эти значения.
Первоначальная спецификация FMC задала проектную цель 10 Гбит/с для каждой из десяти трансиверных линий, обеспечивая максимальную совокупную скорость передачи данных 10 Гбайт/c. Новая спецификация FMC+ с пропускной способностью 28 Гбит/с при максимальном количестве в 32 линии повышает эту совокупную максимальную скорость передачи данных до 90 Гбайт/c.

Преимущества технологии FMC

На мезонинных модулях FMC находятся устройства ввода/вывода и первичной обработки сигналов, такие как АЦП, ЦАП, DDC или интерфейсные приёмопередатчики. Исключение промежуточных интерфейсных мостов позволяет довести до максимума пропускную способность при передаче данных. Также технология FMC позволяет существенно упростить процесс проектирования встраиваемых систем и предоставляет разработчикам ряд важных преимуществ.

• Максимальная пропускная способность – индивидуальная скорость передачи данных до 10 Гбит/с, с общей пропускной способностью до 100 Гбайт/с и более между мезонином и ПЛИС.
• Минимальная латентность благодаря исключению промежуточных интерфейсных мостов, что также обеспечивает детерминизм доставки данных.
• Снижение сложности проектирования – ввод-вывод подключается непосредственно к FPGA, поэтому опыт работы с такими стандартными протоколами, как PCI, PCI Express или Serial RapidIO, не требуется. Поддерживается возможность непосредственного соединения между микросхемами мезонина и ПЛИС несущего модуля, в том числе и через мультигигабитные трансиверы.
• Минимальные системные затраты – упрощение проектирования системы снижает затраты на IP-ядра, уменьшает время разработки и снижает расходы на комплектующие изделия для готового продукта.

Применение мезонинных модулей FMC

Область применения мезонинных модулей FMC чрезвычайно широка и включает системы связи, радиолокации, гидроакустики, обработки и распознавания речи, лабораторное оборудование, системы автоматизации промышленного оборудования, системы медицинской диагностики, цифровое радио и телевидение и др. Для построения данных систем можно использовать модули производства компаний Perfectron (табл. 1).


Данные мезонины могут быть, например, установлены на следующие несущие модули на базе ПЛИС, выполненные по стандартам CompactPCI Serial и OpenVPX (табл. 2), производства Perfectron и FASTWEL. ●

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru