FMC メザニンエコシステム：VITA 57 でアナログと高速 I/O を拡張する
FPGA 開発ボードの I/O はいくらあっても足りない——高速 ADC、光モジュール、LVDS センサが必要になるたびに PCB を設計し直したくはない。FMC（FPGA メザニンカード、VITA 57 規格）はこれを解決する：1 枚のキャリアボード + 標準メザニンカードのライブラリで、カードを差し替えてインターフェースを変える。本稿では LPC と HPC、ピン予算、代表的なメザニン構成を解説する。
1. FMC とは何か：キャリアとメザニンの標準インターフェース
FMC は VITA コンソーシアムが 2008 年に公開した（VITA 57）。核心的な考え方：
- キャリア：FPGA + DDR + PCIe のコアリソース、長期固定
- メザニン：ADC/DAC、光、HDMI、LVDS I/O モジュール、必要に応じて差し替え
- コネクタ：信号、クロック、電源を担う高速ボード間コネクタ
1 枚のキャリアに異なるメザニンを載せれば、データ収録カードにも SDR プラットフォームにも映像処理ボードにもなる——PCB の再設計も再検証も不要。
2. LPC と HPC：ピン予算を選ぶ
FMC には 2 つのサイズがあり、トランシーバと総 I/O 数が異なる：
| 項目 | FMC LPC（ローピンカウント） | FMC HPC（ハイピンカウント） |
|---|---|---|
| 高速トランシーバ（GTP/GTX/GTH） | 2 ペア | 10 ペア（8~10 使用可） |
| シングルエンド I/O ピン | ≤ 34 ペア | ≤ 80 ペア |
| 差動 I/O ピン | ≤ 17 ペア | ≤ 40 ペア |
| 総 I/O | ≈ 68 | ≈ 160 |
| クロックペア | 1 ペア | 2 ペア |
| 用途 | 低速 ADC、LVDS センサ、基礎的な拡張 | 高速 ADC/DAC、光、多チャネル高速 I/O |
ルール：まずトランシーバ数を数える
メザニンが 2 ペアを超えるトランシーバを必要とするなら（4 チャネル 1Gsps ADC、QSFP 光モジュールなど）HPC を選ぶ。LPC はトランシーバ 2 個だけ——高速メザニンは規格どおり動かない。
Duyuan のキャリアボード：
- DUF7690T：デュアル FMC HPC（2×10 トランシーバペア）——多チャネル高速メザニン向け
- DUK7325T：シングル FMC HPC——コスト重視の選択
- PBC7K325G：シングル FMC LPC——エントリー向け拡張
3. FMC ピンの構成
FMC コネクタのピンは VITA 57 規格で定義されている：
| ピン種別 | 数（HPC） | 用途 |
|---|---|---|
| GTX/GTH トランシーバペア | 10 ペア | 高速シリアル：JESD204B ADC、光、PCIe アップリンク |
| 差動クロックペア（CLK0/CLK1） | 2 ペア | メザニンから FPGA へのサンプルクロック |
| シングルエンド I/O（LA グループ） | ≤ 80 | 制御、トリガ、低速 LVDS |
| システム信号 | 固定 | PRSNT、SPI、I2C、UART、電源イネーブル |
| 電源ピン | 固定 | +12V、+3.3V、+VADJ（可调 I/O 電圧） |
+VADJ が重要な理由
+VADJ はメザニンの I/O に給電する——キャリアとメザニンは一致していなければならない：
- LVDS は通常 2.5V / 1.8V
- LVCMOS 3.3V / 1.8V / 1.5V
- 一部の高速 ADC メザニンは 1.8V や 1.5V を必要とする
キャリアの +VADJ は電源 IC でプログラム可能。通電前に必ずメザニンのデータシートを確認——電圧を誤ると I/O を破損する。
4. 代表的な FMC メザニン構成
1. 高速 ADC メザニン（JESD204B）
代表例：JESD204B 準拠 4 チャネル 14-bit 250MS/s ADC。
- 必要トランシーバペア：4~8（チャネルあたり 1~2）→ HPC 必須
- クロック：メザニンが CLK0 経由でサンプルクロックを FPGA へ供給
- DUF7690T と組み合わせ：デュアル HPC で ADC メザニン 2 枚、8 チャネル収録
2. 光メザニン（SFP+/QSFP）
代表例：4× SFP+ 10G 光トランシーバ。
- 必要トランシーバペア：4 ペア → HPC 最低限
- クロック：キャリアがリカバードクロックを供給、またはメザニン外部クロック入力
- XCKU15P と組み合わせ：HPC + UltraScale+ トランシーバ、10G/25G も問題なし
3. 映像 I/O メザニン（HDMI/SDI）
代表例：4× HDMI 入力 + 2× HDMI 出力。
- 必要トランシーバペア：0~2（映像はパラレル/LVDS、GTX ではない）
- シングルエンド I/O：約 40~60 → HPC でも LPC でも可
- DUK7410T と組み合わせ：LPC で十分、コストを節約
5. FMC の 3 つの陥りどころ
陥りどころ 1：LPC は高速メザニンをフルレートで動かせない
LPC には GTX ペアが 2 つしかない。4 チャネル JESD204B ADC メザニンを LPC に載せると半分のチャネルしか使えない。買う前にトランシーバペアを数えよう。
陥りどころ 2：+VADJ 電圧の不一致
メザニンが 1.8V 要求、キャリアがデフォルト 2.5V——通電時に I/O を破損する。メザニンの +VADJ 要求を必ず確認。
陥りどころ 3：クロック配線の間違い
JESD204B メザニンは専用の Device Clock とリカバードクロックが要る。CLK0/CLK1 ピンは FPGA の MRCC/SRCC グローバルクロック入力へ配線しなければならない。設計時のピン計画の失敗は、後からでは直せない。
FMC の価値は「ポートを 1 つ増やす」ことではなく「1 枚のキャリアをあらゆるシナリオで再利用する」ことだ。LPC と HPC を正しく選び、+VADJ を正しく、トランシーバを正しくすれば、FMC エコシステムは本当に機能する。
—— Duyuan エンジニアリングチーム
