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why FPGA喜欢FMC子卡？

news 来源：原创 2025/7/4 16:44:34

FMC 即 FPGA Mezzanine Card （ FPGA中间层板卡），由子板模块、载卡两构成。

FMC 载卡：为子板模块提供插槽，使用母座FMC连接器。载卡连接器引脚与具有可配置IO资源的芯片例如FPGA引脚通过PCB设计连接在一起。。

盘古100 Pro+开发板FMC接口

FMC 子板模块：子板模块上使用公座FMC连接器。子卡通过设计不同的IO接口实现不同的功能，使载卡连接不同的子板从而实现不同的扩展功能。

盘古100 Pro+开发板FMC子板

根据美国国家标准对 FMC 标准（ANSI/VITA57.1-2008）的规定，FMC 子板有单宽和双宽两种尺寸，其具体尺寸信息如下：

单宽子板
- 宽度：69mm。
- 长度：通常为 76.5mm，但也有其他尺寸，如 84.1mm 等。
- 高度：有 8.5mm 和 10mm 两种，一般默认使用 10mm。
双宽子板
- 宽度：139mm。
- 长度：一般为 76.5mm。
- 高度：同样有 8.5mm 和 10mm 两种，默认高度通常为 10mm。

盘古100 Pro+开发板FMC子板结构图

为使不同的 FMC 子卡和载卡能相互兼容，FMC 接口管脚定义遵循 ANSI/VITA 57 等标准。每个管脚都有特定的功能，如：

CLK0_C2M_P、CLK0_C2M_N：从载卡到 IO 子板模块的差分时钟信号。

CLK0_M2C_P、CLK0_M2C_N：从 IO 子板模块到载卡的差分时钟信号。

HA(00..23)_P、HA(00..23)_N：HPC 上 bank A 的用户自定义信号，为差分信号对。

HB(00..21)_P、HB(00..21)_N：HPC 上 bank B 的用户自定义信号，为差分信号对。

LA(00..33)_P、LA(00..33)_N：差分信号对，一般用于 LPC 或作为 HPC 中 bank A 的部分信号。

设计人员能依据这些明确的定义，合理规划子卡和载卡的功能，确保各部分之间的信号传输和交互准确无误，实现系统的预期功能。

盘古100 Pro+开发板FMC接口信号定义

FMC接口连接器分为HPC连接器和LPC连接器：

HPC 连接器：具有 400 引脚，排列方式为 40 行 ×10 列。提供 160 个用户定义的单端信号或者 80 个用户定义的差分对、10 个串行收发器对以及更多时钟，可传输高速信号。
LPC 连接器：有 160 引脚，排列行不变，列只有 CDGH。除 68 个用户定义的单端信号或者 34 个用户定义的差分对外，还提供 1 个串行收发器对、时钟、JTAG 接口和 1 个作为基础智能平台管理接口命令可选支持的 I2C 接口。

FMC接口支持高达 10Gb/s 的信号传输速率，子卡和载卡之间潜在总带宽达 40Gb/s。单端和差分信号传输速率可达 2Gb/s。

FMC 标准能满足多种应用场景需求，像智能采集系统、雷达 / 声呐、实时视频处理、无线通信等，开发板配备 FMC 接口可让用户在不同应用领域快速搭建系统。FPGA开发板常用FMC接口，有以下优点：

设计重复利用性：采用 FMC 标准，可将现有的 FPGA / 载卡设计重新用到新的 I/O 上，只需更换 FMC 模块并对 FPGA 设计略作调整。
兼容性：标准化的电源和规范的信号定义，使得不同厂家的 FMC 子卡和载卡之间具有较好的兼容性。
多 I/O 特性：提供充足的 I/O 数量，且引脚紧密排列，空间占用少，能够满足多种不同应用对 I/O 的需求。

市面上通常中高端及以上级别的 FPGA 开发板会配备 FMC 接口，如：

EK-U1-KCU105-G

EK-A7-AC701-G

与传统排针接口相比，FMC接口具有更高的数据传输能力，更节省空间，更具备兼容性、设计复用性和稳定性。

高数据传输能力

速率高：FMC 接口支持高达 10Gb/s 的信号传输速率，子卡和载卡之间潜在总带宽达 40Gb/s，而传统排针一般难以达到如此高的传输速率，无法满足高速数据传输的需求12。

信号质量好：FMC 连接器采用差分信号传输等技术，抗干扰能力强，能更好地保证高速信号传输的完整性和稳定性。传统排针在高速信号传输时，容易受到电磁干扰等因素影响，导致信号失真、衰减。

高集成度与空间优势

引脚密度高：FMC 连接器有 160 引脚的低引脚数（LPC）和 400 引脚的高引脚数（HPC）两种类型，可在较小空间内提供大量 I/O 接口。

尺寸紧凑：FMC 标准定义了单宽度（69mm76.5mm）和双宽度（139mm76.5mm）两种尺寸，模块设计紧凑，在对空间要求苛刻的应用中更具优势3。

兼容性与灵活性

标准统一：FMC 有统一的标准，不同厂家的 FMC 子卡和载卡只要符合标准，就能相互兼容和连接。传统排针通常没有这样统一严格的标准，不同厂家的排针在引脚定义、间距、电气特性等方面可能存在差异，兼容性较差。

引脚分配灵活：FMC 接口可根据实际需求灵活分配引脚功能，能适应多种不同的应用场景和功能扩展。传统排针的引脚功能通常在设计时就固定了，后期难以更改。

可靠性与稳定性

连接稳固：FMC 连接器通常采用 BGA 封装等方式，与电路板的连接更加稳固，抗震性能好，能适应恶劣的工作环境1。

抗干扰能力强：FMC 接口的信号完整性设计较好，具备良好的电磁兼容性，能有效抵抗外界电磁干扰，也不会对周围环境产生过多的电磁辐射。传统排针的抗干扰能力相对较弱，在电磁环境复杂的情况下，可能会影响系统的正常运行。

设计复用性

模块可替换：采用 FMC 标准的设计，可通过更换 FMC 模块并对 FPGA 设计略作调整，将现有的 FPGA / 载卡设计应用到新的 I/O 上，提高了设计的复用性，缩短了开发周期，降低了成本12。

便于升级维护：当需要对系统进行升级或维护时，只需更换相应的 FMC 子卡，而无需对整个系统进行大规模的改动。传统排针连接的系统在升级或维护时，可能需要重新设计和布线，工作量大，成本高。

盘古100 676 Pro FMC接口

MES2L676-100HP扩展底板预留了一组FMC LPC扩展口，符合FMC接口规范，可用于外接FMC模块。

盘古100 Pro+开发板FMC接口

MES2L676-100HP开发板FMC扩展口共扩展24对差分IO（MES2L676-200HP开发板FMC扩展口共扩展34对差分IO），1路I2C总线信号，一路 HSSTLP 高速串行数据收发信号以及为 HSSTLP 提供的一路参考时钟。FMC扩展的差分信号分别连接在BANK L6、BANK L5、BANK L4、BANK L7上，其中BANK L6的IO电压由L6_VADJ决定，BANK L7的IO电压由L7_VADJ决定，底板L6_VADJ和L7_VADJ使用相同电源，可通过跳线帽座连接J20处和J24处的不同针脚决定为3.3V或2.5V或1.8V。

MES-FMC-LPC-IO子卡扩展接口图

MES-FMC-LPC-IO子卡为FPGA开发板FMC接口扩展2路40pin扩展IO，共68个用户IO，提供丰富的IO连接外部设备，MES-FMC-LPC-IO子卡的40pin扩展IO与小眼睛科技FPGA开发板的40pin IO线序一致，配套外设模块在MES-FMC-LPC-IO子卡上可直接连接使用。MES-FMC-LPC-IO子卡上6个SMA接口连接一路高速串行收发器和一路高速串行收发器参考时钟输入，支持高速数据传输。

MES-FMC-LPC-IO子卡的2路40pin扩展IO，可连接小眼睛科技双目摄像头模块、ADC-DAC模块、或通过PMOD扩展模块连接多种PMOD模块（如：音频输入模块、音频输出模块、1.3寸OLED屏模块、分频器模块、蜂鸣器模块等），此外扩展SMA_HSST接口可实现高速数据传输。

盘古100 Pro+开发板FMC子卡扩展外设模块

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