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Standard per schede mezzanino

Una sintetica analisi delle caratteristiche degli standard FMC, che definisce le specifiche per schede mezzanino per piattaforme basate su FPGA e HMSC, e le proprietà elettrice e meccaniche dell’interfaccia

Pubblicato il 2 febbraio 2015

Sempre più applicazioni richiedono la possibilità di gestire interfacce I/O differenti su una stessa piattaforma. Per applicazioni basate su FPGA e che richiedono I/O riconfigurabili, è stata rilasciata nel 2008 la specifica FMC (FPGA Mezzanine Card) definita dallo standard VITA 57 e seguita dalla High Speed Mezzanine Card (HSMC) di Altera, che definisce le proprietà elettriche e meccaniche di un’interfaccia per schede mezzanino ad alta velocità basate su FPGA.

figura1

Fig. 1 – Modulo FMC single width

FMC (FPGA Mezzanine Card) è uno standard ANSI/VITA che definisce i moduli mezzanine I/O con collegamento a un FPGA. Il design a basso profilo e le dimensioni compatte lo rendono adatto a molte esigenze di configurazione.

Le principali specifiche FMC sono riassunte nei seguenti punti:

  • Moduli mezzanino I/O che si collegano alle schede carrier.
  • Supporto fino a trasmissione di 10 Gbit/s.
  • Dimensioni minime.
  • Supporto per una vasta gamma di segnali standard.

Gli FPGA sono sempre più utilizzati in progetti di sistemi integrati, in particolare nella porzione di I/O di sistemi per implementare interfacce complesse ed eseguire l’elaborazione dei dati in-stream. Un problema del settore è che le interfacce di I/O sono strettamente accoppiate agli FPGA e questo ha limitato la quantità di riutilizzo di questi ultimi, perché progettate specificamente per gestire un particolare tipo di I/O. Il nuovo standard VITA 57, noto anche come FPGA Mezzanine Card (FMC), affronta questi problemi. Lo standard definisce un modulo mezzanino I/O che funziona intimamente con un FPGA.

figura2

Fig. 2 – FMC su VPX 6U

La FMC è stata sviluppata per fornire uno standard di forma per l’industria a sostegno di un’interfaccia flessibile e modulare a un FPGA situato su una scheda carrier. Consente all’interfaccia di disaccoppiarsi dalla progettazione FPGA pur mantenendo uno stretto legame con la logica programmabile.

L’approccio FMC risolve il problema di come modificare la configurazione I/O di un design FPGA senza dover riprogettare le funzionalità di base. La FMC porta i benefici di moduli PMC con brevi cicli di progettazione, maggiore facilità a sfruttare la tecnologia avanzata, e lo sviluppo di sistemi a costi ridotti.

Lo standard definisce due formati: singola (single-width) e doppia (double-width) larghezza. La figura 1 mostra che il modulo a singola larghezza, che misura 69 x 76,5 millimetri, è circa la metà delle dimensioni di un modulo PMC, e supporta un singolo connettore, P1. Il modulo a doppia larghezza, invece, misura 139 x 76,5 millimetri e può supportare uno o due connettori: P1 e P2. La doppia larghezza FMC è per applicazioni che richiedono larghezza di banda aggiuntiva o per una zona di PCB più grande.

Vi è una scelta di due diversi connettori per interfacciare l’FMC di un FPGA: un connettore Low Pin Count (LPC​​) con 160 pin e un connettore High Pin Count (HPC) con 400 pin. Un FMC con il connettore LPC può accoppiarsi con un vettore che utilizza sia un LPC sia un connettore HPC. La specifica FMC è stata sviluppata per consentire il supporto su una vasta gamma di formati esistenti, compreso, ma non limitato, a VME, CompactPCI, VXS, VPX, VPX-REDI, CompactPCI Express AdvancedTCA e AMC. La figura 2 mostra tre FMC di controllo montati su una VPX 6U.

Nella versione HPC sono disponibili:

  • 80 segnali single-ended (o 40 di tipo differenziale).
  • 4 linee di clock fino a 2 GHz.
  • 20 coppie differenziale per trasmissioni seriali a 10 Gbps.
  • Porta di interfaccia JTAG ed I2C per supporto IPMI (Intelligent Platform Management Interface).

Le applicazioni principali riguardano moduli di acquisizione e trasferimento dati o conversione analogico-digitale high-speed in ambito industriale, telecomunicazioni, trasporti, militare e avionico.

figura3

Fig. 3 – Segnali HSMC

Principali vantaggi della FMC:

  • Flusso dati: velocità fino a 10 Gb/s, con un potenziale di larghezza di banda tra il mezzanino e la scheda carrier.
  • Latenza: l’eliminazione dell’overhead di protocollo garantisce la consegna dati a livello deterministico.
  • Layout: facile design con abbassamento dei costi e tempi di progettazione.

Lo standard HSMC
L’interfaccia HSMC (Fig. 3) fornisce un meccanismo per estendere la periferica di una scheda FPGA per mezzo di una scheda mezzanino, per l’indirizzamento di segnali high speed. I fori di montaggio disponibili sulle schede mezzanine forniscono il supporto meccanico alla scheda installata sull’host.

Il connettore dispone di un totale di 172 pin, tra cui 121 pin di segnale (120 pin di segnale + 1 pin PSNTn), 39 pin di alimentazione e 12 pin di terra. I pin di terra sono molto più grandi dei pin di alimentazione e si trovano tra le due file di segnale e di alimentazione.
Il connettore è basato sulla famiglia QSH/QTH di passo 0,5 millimetri di alta velocità, con 60 canali differenziali, o 120 pin single-ended, oltre a speciali 12V, 3,3V e collegamenti GND con un piano verticale all’interno del connettore che isola le due file di pin. Quattro classi di schede HSMC sono definite dallo standard, dalle piattaforme a basso costo così come le piattaforme ad alte prestazioni. Un host a basso costo può supportare solo segnali single-ended, mentre un host ad alte prestazioni può sostenere segnali CMOS / LVDS o single-ended.

figura4

Fig. 4 – Scheda AD/DA

La scheda di conversione di dati AD/DA (Fig. 4) di Terasic è stata creata per fornire un sistema di codifica digitale, tra cui un’interfaccia audio CODEC. La mezzanine card ad alta velocità (HSMC) può essere utilizzata per sviluppare applicazioni DSP con sistemi Altera e schede di sviluppo Terasic (egDE3) che caratterizzano il connettore HSMC.

Inoltre, la scheda Terasic Transceiver Serial Digital Interface (SDI) HSMC fornisce una piattaforma hardware per lo sviluppo di sistemi di trasmissione video. Esso è destinato a essere utilizzato dai clienti per implementare e progettare sistemi SDI e AES basati su schede con interfaccia HSMC.

Insieme a Xilinx, fornitore di piattaforme programmabili, Analog Devices sviluppa soluzioni analogiche per integrare sistemi FPGA. L’interfaccia semplice e la connettività di componenti per FPGA Xilinx sono rese possibili attraverso l’uso di schede FMC, interposer FMC e Pmod. Analog Devices offre inoltre codice di interfaccia HDL, driver di periferica e progetti di riferimento.

figura5

Fig. 5 – FMC-SER0 di Kontron

Il Kontron FMC-SERO (Fig. 5) è un modulo single width FMC HPC progettato per interfacciarsi con qualsiasi scheda standard come Kontron SBC VM6250 e VM6050 o VX3830 FMC carrier. FMC-SERO si basa sullo standard VITA 57 e dispone di un connettore HPC e uno frontale a 50 poli TYCO 0-787171-5.

HSMC2FMC di Kaya Instruments è una scheda-adattatore progettata per consentire la connessione di schede FMC standard di settore con le schede Altera con interfaccia HSMC.
Questa scheda è stata progettata per supportare i segnali duplex ad alta velocità (SerDes), così come LVDS o segnali single ended. HSMC2FMC utilizza, inoltre, un connettore standard HSMC come interfaccia per la scheda host e il connettore HPC standard come interfaccia per schede mezzanino.

Maurizio Di Paolo Emilio

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