FPGA接口-PMOD,FMC与SYZYGY

Posted 2022-03-12 姚家湾

        现代FPGA 功能强大，它通过芯片的可编程引脚与外围电路相连。比如AD/DA,数字IO以及以太网，USB，CAN ，视频I/O 等接口电路。人们将这些接口称为夹层模块（Mezzanine Module）。为了实现FPGA 系统的模块化设计，就需要实现这种接口的标准化。目前比较流行的包括下面三种

1. PMOD
2. FMC
3. SYZYGY

PMOD

        Pmod接口标准是由Xilinx的第三方合作伙伴迪芝伦（Digilent）制定的接口扩展规范。它主要针对低频，少引脚外围模块。接口定义了6 脚和12脚接口。6脚版本定义了4 个数字IO和一个电源，一个地线。12 引脚版本定义了8个IO信号脚，一对电源脚和一对地线。

pmod 定义了下面几种类型

• I2C
• TYPE 1（GPIO）
• TYPE 2（SPI）
• TYPE 2A（扩展SPI）
• TYPE 3 UART
• TYPE4 UART
• TYPE 4A (扩展的UART)
• TYPE 5 （(H-Bridge）
• TYPE 6 （dual H-Bridge）

FMC

        FPGA 夹层卡 (FMC) 标准由包括 FPGA 厂商和最终用户在内的公司联盟开发，是美国 ANSI 标准。FMC 主要是高速，多引脚模块定义的接口。

从引脚的数量分，FMC 分为

1. 低引脚数 (LPC) 连接器  具有 160 个引脚
2. 高引脚数 (HPC) 连接器  具有 400 个引脚

（1）FMC标准定义了单宽度(69 毫米 x 76.5 毫米) 和双宽度(139 毫米 x 76.5 毫米)两种尺寸。单宽度模块支持到载卡的单个连接器。双宽度模块主要面向需要更高带宽、更大前面板空间或较大PCB 面积的应用，支持多达两个连接器。FMC 标准提供两种尺寸，能够更加灵活地根据空间、I/O 要求或者这两者的要求对板进行精心优化。

（2）FMC 连接器是美国 Samtec公司设计的高密度高速连接器，以用作标准到载卡上的 FPGA 的接口：一种是具有 160个引脚的低引脚数 (LPC) 连接器，另一种则是具有 400个引脚的高引脚数 (HPC) 连接器。这两种连接器均支持高达 2Gb/s 的单端和差分信号传输速率，且到 FPGA 串行连接器的信号传输速率高达 10Gb/s。

（3）HPC 和 LPC 连接器都使用相同的机械式连接器，唯一的差别在于实际上移植哪些信号，因此采用 LPC 连接器的卡也能插入 HPC 处，而且只要适当设计，HPC 卡在插入 LPC 处时还能提供诸多派生功能。此外，除了 68个用户定义的单端信号或者 34个用户定义的差分对外，LPC 连接器还提供了 1个串行收发器、时钟、JTAG 接口和 1个作为基础智能平台管理接口 (IPMI) 命令可选支持的 I2C 接口。而 HPC 连接器则提供了 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。

带有FMC 的开发板

FMC 插卡

AD-FMCDAQ2-EBZ是用于高速 DAC AD9144 和 ADC AD9680 的 FMC 板。它可以连接到 Xilinx® KCU105 FPGA 基板，为具有宽带模拟数据采集功能的高性能数字信号处理应用的快速原型设计提供一个综合平台。

 两个LPC 接口的控制卡

国内也有一些厂商（例如ALINX 公司）开发了FMC 接口卡和带有FMC接口的PCI插卡，开发板。

SYZYGY

        对于许多应用而言，FMC LPC 的160 根引脚还是太多了，而且接插件的成本也十分昂贵。为此Opal Kelly公司提出了SYZYGY 的标准，它是PMOD 和FMC 之间的折中标准，SYZYGY 是一个开源的标准，使用40 针接插件。

详细规范可以在下面找到

Syzygy-Specification-V1p1.pdf

下图是带有两个SYZYGY 插座的Zynq 板。

三种类型

• 标准（standard）
• 收发模块（transceiver TXR-2）
• 收发模块（transceiver TXR4）

特点

标准模块的特点

1. 40-pin 0.8mm Samtec connector
2. 5V, 3.3V fixed voltages
3. Programmable VIO supply
4. MCU for peripheral personality and VIO setting
5. 8 differential pairs (or 16 single-ended signals)
6. 12 additional single-ended signals

    收发模块的特点

1. 40-pin 0.5mm Samtec connector
2. 5V, 3.3V fixed voltages
3. Programmable VIO supply
4. MCU for peripheral personality and VIO setting
5. 18 additional single-ended signals
6. Dedicated clock inputs / outputs
7. TXR-2 ports have 4 transceiver pairs and reference clock for high-performance I/O
8. TXR-4 ports have 8 transceiver pairs and reference clock for high-performance I/O

接插件

尺寸

• 标准模块 45mm x 70mm
• 收发模块：50 mm x 70mm

vio DNA

        值得一提的是，每块板上都带有一个I2C 接口的 8 pin 单片机（atmel Tiny85） 存储了关于模块的所有信息。

普及程度

                从网络上看，SYZYGY自2017年公布以来，其它公司提供的相关产品似乎并不多。

各种接口的对比一览表：

应用场合

 从图上看，SYZYGY 适合图像处理，AD/DA,光纤接口等场合应用。

更简单的方式

也可以使用更灵活和简单的方式，比如NI 的cRIO 模块采用了DB15 的接头。引脚定义为：

 

灵活应用

        FPGA 的外围接口与单片机有很大的区别。FPGA 的接口只是IO引脚，实现的接口类型基本上是可编程的。而单片机的接口往往是预先定义好的。比如SPI，I2C，CAN，UART 等等。相比之下，FPGA 的IO接口要简单和灵活的多。

        基于FPGA 的设备越来越多。实现模块化设计是减少重复开发额重要手段。要根据实际的需要，选择合适的模块接口。

        对基于Zynq 的小型边缘控制设备而言，采用SYZYGY接口可能更加合适，接插件可以选择不同的方式，比如欧式插座。