用于軍事/航空航天應用的開放式架構嵌入式系統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品的行業標準，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點和缺點。

夾層模塊標準

PMC 在 15 年前根據 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 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，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 模塊的數據傳輸速率取決于千兆串行協議和每個邏輯鏈路的通道數。表 1 顯示了不同配置和協議的峰值速率，與峰值 PMC 速率相比具有優勢。

FMC 模塊在 VITA 57 規范中定義，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 （LPC） 連接器和具有 400 個觸點的高引腳數 （HPC） 連接器。連接器引腳通常針對電源、數據、控制和狀態進行定義，并根據設計提供特定的實現方式。

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據總線、千兆串行鏈路、時鐘和控制信號，用于初始化、定時、觸發、選通和同步。對于數據，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的新型數據轉換器器件，FMC規范已增強為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量從 10 個增加到 24 個。FMC+ 的新連接器的額定數據速率高達每秒 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數據速率時，這將全雙工千兆串行通道的總數增加到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夾層都是單寬度設計。

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

數據傳輸功能

關于數據傳輸速率，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 相比具有固有的數據速率優勢，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 峰值數據傳輸速率。

最終，任何系統都會有 CPU 和內存帶寬限制，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 內存插槽，每個通道提供每秒 12.8 GB 的傳輸速率。在這些系統中，XMC 和系統之間的專用 x8 PCIe 鏈路支持 8 GB/秒的可觀傳輸速率。

與 PMC 和 XMC 不同，FMC 不使用 PCI 或 PCIe 等行業標準接口。相反，每個FMC都有一組獨特的控制線和數據路徑，每個控制線和數據路徑的信號電平、數量、位寬和速度都不同。在1 GHz數據時鐘速率下，80條差分數據線每秒可提供10 GB，盡管新的FMC+規范使這些速率翻了一番。

最初的FMC規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的峰值聚合數據速率。新的FMC+規范為每秒28 Gbits，最多32個串行通道，將這種聚合峰值數據速率提高到每秒近90 GB。

不動產和電力注意事項

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，模數轉換器對來自電源、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轉換器相同的電路板上重新調節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，它們通常可以更容易地重新排列。

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，前端和系統總線之間的整體電路可能幾乎相同，但物理分區發生在兩個不同的點。

為了說明這一點，圖 2 顯示了用于 3U OpenVPX 的 4 通道 A/D 轉換器軟件無線電模塊的兩種不同實現，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 轉換器和 FPGA，并為 OpenVPX 背板提供相同的 x8 PCIe 接口。頂部的 XMC 實現使用 FPGA 和背板之間的 XMC 連接器，而下面的 FMC 實現使用 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 產品與 XMC/FMC 產品時，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勢。

軟件和 FPGA 開發問題

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，會出現其他挑戰。必須有人為載波開發定制的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代碼。也許運營商供應商會為第三方FMC模塊開發代碼。

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，FMC 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品，可能會影響兩塊板的互操作性。

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

相比之下，PMC 和 XMC 使用行業標準系統接口，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都利用廣泛采用的 PCIe 標準來互連系統元件。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 XMC 上的系統接口，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自定義FPGA代碼。

為流行的嵌入式操作系統開發的設備驅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利用行業標準系統接口，無需定制FPGA開發，輕松支持各種系統架構，并附帶完整的軟件驅動程序和電路板支持庫。這可以大大節省系統集成和軟件開發成本，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集成商必須權衡每種產品的優缺點，請記住，這三者都有適合在惡劣環境中部署的堅固版本。擁有數百家供應商和數千種產品，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過測試和安裝的FPGA配置代碼（如FlexorSet產品），FMC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開發工作的需要，最大限度地減少了產品支持問題，并加快了開發周期。

審核編輯：郭婷