CN102866732A

CN102866732A - 零终端机

Info

Publication number: CN102866732A
Application number: CN2012103009121A
Authority: CN
Inventors: 赵新华; 李金凯
Original assignee: SHANGHAI JINTU INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI JINTU INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种零终端机，用以实现一种无CPU、无操作系统的终端机，从而简化硬件结构，提升处理速度。该零终端机包括：壳体，所述壳体外部设置有网络接口和输入/输出接口，所述壳体内部设置有现场可编程门阵列以及分别连接到所述现场可编程门阵列的以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元和输入/输出单元，其中，所述以太网处理单元还分别与所述网络接口、所述微控制单元相连；所述微控制单元还与所述协议引擎单元相连；所述协议引擎单元还与所述输入/输出单元相连；所述输入/输出单元还与所述输入/输出接口相连。

Description

零终端机

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种零终端机。

背景技术

传统的终端机通常为PC机、笔记本电脑等设备。在这些终端机中，通常都包含有CPU、存储器和操作系统，其硬件结构复杂，制作成本昂贵。而且，在这些终端机中，各种输入/输出设备之间无法直接通信，必须经过CPU进行处理，因此，需要经过一系列复杂的处理过程，导致速度慢、效率低。另外，终端机中的所有硬件都由操作系统进行统一管理，而操作系统是由软件实现的，按自底向上通常可分为操作系统内核、驱动程序、接口层和应用层。在这种操作系统架构中，当网卡接收到数据帧后，数据帧需要经过操作系统的层层处理才能提交给对应的应用程序，应用程序处理完后，又要经过层层处理才能提交给对应的子系统，如显示子系统、音频子系统等，最后将数据转换成模拟信号传输给输出设备。在这样一段冗长的数据通信过程中，每一层处理都需要占用CPU处理时间，因此导致处理速度慢、效率低。同时，采用这种架构的终端机对CPU的性能和散热要求极高，这就会导致制造成本的大幅上升，平时维护时，又会面临操作系统升级的问题，维护成本极大。

因此，目前亟需一种无CPU、无操作系统的终端机来简化硬件结构，提升处理速度。

发明内容

本发明提供了一种零终端机，用以实现一种无CPU、无操作系统的终端机，从而简化硬件结构，提升处理速度。

一种零终端机，包括：壳体，所述壳体外部设置有用于与外部网络设备通信的网络接口和用于与外部输入/输出设备通信的输入/输出接口，所述壳体内部设置有现场可编程门阵列以及分别连接到所述现场可编程门阵列的以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元和输入/输出单元，其中，所述以太网处理单元还分别与所述网络接口、所述微控制单元相连，用于将来自网络接口的数据进行处理后发送给微控制单元，还用于将来自微控制单元的数据进行处理后发送给网络接口；所述微控制单元还与所述协议引擎单元相连，用于对来自以太网处理单元的数据进行分析计算后传送给协议引擎单元，还用于将来自协议引擎单元的数据进行分析计算后传送给以太网处理单元；所述协议引擎单元还与所述输入/输出单元相连，用于对来自微控制单元的数据进行分类，并将分类后的数据传送给输入/输出单元，还用于将来自输入/输出单元的数据传送给微控制单元；所述输入/输出单元还与所述输入/输出接口相连，用于将来自协议引擎单元的数据传送给输入/输出接口，还用于将来自输入/输出接口的数据传送给协议引擎单元。

较佳的，所述输入/输出接口包括：用于接收视频数据的视频接口、用于接收音频数据的音频接口以及用于接收USB数据的USB接口，所述输入/输出单元包括：用于处理视频数据的视频处理单元、用于处理音频数据的音频处理单元以及用于处理USB数据的USB处理单元，所述视频处理单元、所述音频处理单元和所述USB处理单元分别与所述协议引擎单元相连，所述视频处理单元还与所述视频接口相连，所述音频处理单元还与所述音频接口相连，所述USB处理单元还与所述USB接口相连。

较佳的，所述视频处理单元包括：视频编解码器和视频数模转换器，其中，所述视频编解码器分别与所述协议引擎单元、所述视频数模转换器相连，用于对来自协议引擎单元的视频数据进行编码或解码后传送给视频数模转换器；所述视频数模转换器还与所述视频接口相连，用于对来自视频编解码器的视频数据进行数模转换后传送给视频接口。

较佳的，所述视频处理单元进一步包括：与所述视频编解码器相连的视频时钟同步单元，用于对来自视频编解码器的视频数据进行同步。

较佳的，所述视频处理单元进一步包括：帧缓冲单元，其分别与所述协议引擎单元、所述视频编解码器相连，用于对来自协议引擎单元的视频数据进行缓存后传送给视频编解码器。

较佳的，所述音频处理单元包括：音频编解码器和音频数模转换器，其中，所述音频编解码器分别与所述协议引擎单元、所述音频数模转换器相连，用于对来自协议引擎单元的音频数据进行编码或解码后传送给音频数模转换器；所述音频数模转换器还与所述音频接口相连，用于对来自音频编解码器的音频数据进行数模转换后传送给音频接口。

较佳的，所述USB处理单元包括：USB编解码器、USB控制器和USB集线器，其中，所述USB编解码器分别与所述协议引擎单元、所述USB控制器相连，用于对USB数据进行编码或解码；所述USB控制器还与所述USB集线器相连，用于对USB数据进行控制；所述USB集线器还与所述USB接口相连，用于对USB数据进行放大。

较佳的，所述壳体外部进一步设置有复位按键，所述壳体内部进一步包括：连接到现场可编程门阵列的复位单元，该复位单元分别与所述协议引擎单元、所述复位按键相连，用于在所述复位按键按下时产生复位信号，并将所述复位信号传送给协议引擎单元。

较佳的，所述以太网处理单元进一步包括：以太网物理层芯片和以太网介质访问控制层芯片，其中，所述以太网物理层芯片分别与所述网络接口、所述以太网介质访问控制层芯片相连，用于实现来自网络接口的网络数据的传输通路；所述以太网介质访问控制层芯片还与微控制单元相连，用于对来自以太网物理层芯片的网络数据进行处理。

较佳的，所述壳体内部进一步包括：连接到现场可编程门阵列的频率控制芯片，所述频率控制芯片与所述输入/输出单元相连，用于对要传输到输入/输出单元的数据的频率进行控制。

本发明实施例中，通过FPGA与以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元和输入/输出单元相连，由于FPGA可以通过硬件语言模拟各种硬件的通信时序，因而可以对来自网络以及输入/输出设备的信息进行处理，从而代替了传统的CPU，简化了终端机的硬件结构。

附图说明

图1为本发明实施例中的零终端机的结构示意图；

图2为本发明优选实施例中的零终端机的外部结构示意图；

图3为本发明优选实施例中的零终端机的内部结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

本发明实施例提供了一种零终端机，用以实现一种无CPU、无操作系统的终端机，从而简化硬件结构，提升处理速度。

本发明实施例中的零终端机具体是一个小盒子，它可以连接键盘、鼠标、显示器、音箱、以太网设备和USB存储介质等外围设备。图1示出了本发明实施例中零终端机的结构示意图。如图1所示，零终端机包括壳体21，壳体21外部设置有用于连接以太网等网络设备的网络接口24，以及用于连接键盘、鼠标、显示器、音箱以及USB存储介质等输入/输出设备的输入/输出接口20。壳体内部设置有现场可编程门阵列（简称FPGA）1，以及分别连接到FPGA1的以太网处理单元2、微控制单元3（简称MCU）、协议引擎单元4和输入/输出单元5。其中，以太网处理单元2的一端与网络接口24相连，另一端与MCU3相连；MCU3的一端与以太网处理单元2相连，另一端与协议引擎单元4相连；协议引擎单元4的一端与MCU3相连，另一端与输入/输出单元5相连；输入/输出单元5的一端与协议引擎单元4相连，另一端与输入/输出接口20相连。其中，图1中的壳体21是通过一条直线示意的，直线上方表示壳体及壳体外部的部分，直线下方表示壳体内部的部分，在实际情况中，壳体21通常是一个封闭的四方体形状。

具体地，所述输入/输出接口包括：视频接口、音频接口和USB接口，则输入/输出单元包括：视频处理单元、音频处理单元和USB处理单元。

其中，视频处理单元包括：视频编解码器和视频数模转换器，其中，所述视频编解码器的一端与所述协议引擎单元相连，另一端与视频数模转换器相连；所述视频数模转换器的一端与所述视频编解码器相连，另一端与所述视频接口相连。该视频处理单元还可以进一步包括：与所述视频编解码器相连的视频时钟同步单元。而且，所述视频处理单元还可以进一步包括：帧缓冲单元，其一端与所述协议引擎单元相连，另一端与所述视频编解码器相连。

音频处理单元包括：音频编解码器和音频数模转换器，其中，所述音频编解码器的一端与所述协议引擎单元相连，另一端与音频数模转换器相连；所述音频数模转换器的一端与所述音频编解码器相连，另一端与所述音频接口相连。

USB处理单元包括：USB编解码器、USB控制器和USB集线器，其中，所述USB编解码器的一端与所述协议引擎单元相连，另一端与USB控制器相连；所述USB控制器的一端与所述USB编解码器相连，另一端与所述USB集线器相连；所述USB集线器的一端与所述USB控制器相连，另一端与所述USB接口相连。

以太网处理单元可以进一步包括：以太网物理层芯片和以太网介质访问控制层芯片，其中，以太网物理层芯片的一端与所述网络接口相连，另一端与所述以太网介质访问控制层芯片相连；以太网介质访问控制层芯片的一端与以太网物理层芯片相连，另一端与微控制单元相连。

另外，壳体外部还可以进一步设置有复位按键，则所述壳体内部进一步包括：连接到现场可编程门阵列的复位单元，该复位单元的一端与所述协议引擎单元相连，另一端与所述复位按键相连。而且，壳体内部还可以进一步包括：连接到现场可编程门阵列的频率控制芯片，所述频率控制芯片与所述输入/输出单元相连。

本发明实施例中的零终端机，通过FPGA与以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元和输入/输出单元相连，由于FPGA可以通过硬件语言模拟各种硬件的通信时序，因而可以对来自网络以及输入/输出设备的信息进行处理，从而代替了传统的CPU，简化了终端机的硬件结构。

下面以一个优选实施例详细描述一下本发明提供的零终端机的具体结构。

图2示出了本发明优选实施例中的零终端机的外部示意图。从图2可以看出，零终端机包括壳体21，壳体21外部设置有网络接口24，例如RJ45千兆以太网络接口，该网络接口24通过网线与外部网络设备相连，用于接收外部网络设备发送的数据，还用于向外部网络设备传送数据。该外部网络设备包括但不限于桌面虚拟机、控制服务器。壳体外部还设置有输入/输出接口，用于与输入/输出设备相连。具体地，输入/输出接口包括：用于连接显示设备的视频接口23（例如VGA端口）、用于连接音箱等音频设备的音频接口（图中未示出），以及用于连接键盘、鼠标和存储设备的USB接口25。其中USB接口25的数量为多个。壳体21上还设置有电源接口22。

图3示出了本发明优选实施例中的零终端机的内部结构示意图。从图3可以看出，该零终端机内部包括：与网络接口（例如以太网端口）相连的以太网物理层芯片，以及与以太网物理层芯片相连的以太网介质访问控制层芯片，以太网物理层芯片和以太网介质访问控制层芯片共同构成了以太网处理单元，用于实现对来自网络接口的数据的基本处理。其中，以太网物理层芯片用于实现网络数据的传输通路，以太网介质访问控制层芯片用于对以太网物理层芯片传输的网络数据进行必要的处理。

该零终端机内部还包括：用于对以太网处理单元传输的网络数据进行分析计算等操作的微控制单元和协议引擎单元。其中，微控制单元与以太网处理单元中的以太网介质访问控制层芯片相连，用于对以太网介质访问控制层芯片传输的网络数据进行必要的分析计算，并将分析计算后的网络数据传输给协议引擎单元。协议引擎单元与微控制单元相连，协议引擎单元首先对微控制单元分析计算后的网络数据进行分类，例如，可以将网络数据分为视频流数据、音频流数据和USB数据等。协议引擎单元根据网络数据的类型，确定相应类型的数据的处理协议，处理协议中规定了各种类型的数据的优先级以及处理算法（关于具体的处理协议将在下文进行详细介绍），然后，协议引擎单元对网络数据加上相应的类型标识后分发给对应的输入/输出设备。

为了实现协议引擎与输入/输出设备之间的通信，零终端机内部进一步包括输入/输出单元。输入/输出单元的一端与协议引擎单元相连，用于接收协议引擎单元分发的网络数据，另一端与输入/输出接口相连，用于通过输入/输出接口将数据传输给对应的输入/输出设备。具体地，输入/输出单元包括：用于处理视频流数据的视频处理单元、用于处理音频流数据的音频处理单元以及用于处理USB数据的USB处理单元。

其中，视频处理单元包括：与协议引擎单元相连的视频编解码器，用于对视频流数据进行编码或解码；与视频编解码器相连的视频数模转换器，用于将视频编解码器编码或解码后的数字信号转换为VGA端口能够识别的模拟信号，并将转换后的模拟信号通过VGA端口传输给对应的显示设备。为了实现视频信号的同步，视频处理单元进一步包括：与视频编解码器相连的视频时钟同步模块。另外，为了实现视频信号的缓存，视频处理单元进一步包括：帧缓冲单元，其一端与协议引擎单元相连，另一端与视频编解码器相连，用于在视频流数据量较大，超出视频编解码器的处理容量时，缓存一部分视频流数据到帧缓冲单元，以确保视频编解码器的正常运行。

音频处理单元包括：与协议引擎单元相连的音频编解码器，用于对音频流数据进行编码或解码；与音频编解码器相连的音频数模转换器，用于将音频编解码器编码或解码后的数字信号转换为人耳能够识别的模拟信号，并将转换后的模拟信号通过音频接口，例如内置扬声器接口或头戴式耳机接口传输给外部的音频设备。

USB处理单元包括：与协议引擎单元相连的USB编解码器，用于对USB数据进行编码或解码；与USB编解码器相连的USB控制器，用于对USB编解码器编码或解码后的数据进行必要的控制；与USB控制器相连的USB集线器，用于对USB控制器传输过来的数据进行再生放大等操作后通过USB端口传输给对应的外部设备。其中，USB端口对应的外部设备包括键盘、鼠标和优盘等。因此，USB端口接收到的数据中除了传输给优盘的USB数据外，还包含一部分传输给键盘或鼠标的按键数据。

为了实现对上述的输入/输出单元中传输的数据流的频率的控制，零终端机还包括：与各个输入/输出单元分别相连的频率控制芯片，用以控制视频流或音频流的传输频率。

另外，为了完成零终端机的重启功能，在零终端机的外壳上还设置有复位按键，相应地，在零终端机的内部进一步设置有与复位按键相连的复位单元，该复位单元还与协议引擎单元相连，用于在用户按下复位按键时产生复位信号或硬件中断信号，并将该复位信号或硬件中断信号对应的硬件中断数据传输给协议引擎单元进行处理。

通过上述的描述可以看出，协议引擎单元主要用于将微控制单元传送的以太网处理单元的网络数据处理后分发给相应的输入/输出单元，由输入/输出单元传输给相应的输出/输出设备。另外，协议引擎单元还用于接收输入/输出设备通过输出/输出单元传输的数据，并通过微控制单元将这些数据传输给网络端口连接的网络设备。而且，协议引擎单元还用于接收来自复位单元的硬件中断数据。由此可见，协议引擎单元所处理的数据的类型至少包括：视频流数据、音频流数据、USB数据、以太网数据和硬件中断数据。协议引擎单元确定了数据的类型之后，确定相应类型数据的处理协议，然后，协议引擎单元根据确定的处理协议对不同类型的数据采用不同的优先级和算法进行处理，例如：对于视频流数据，采用去重算法进行处理，该去重算法可以是基于哈希的去重算法，会对视频流数据进行分析，建立多级索引表，可去除相同的数据，只在显示缓冲区保留不同的数据，这样就减少了视频流数据的数据量，降低了对网络带宽的占用，提高了视频流数据的传输效率；对于音频流数据，采用哈夫曼算法进行处理，该算法有效的减少了音频流数据的数据量，降低了对网络带宽的占用，提高了音频流数据的传输效率；对于USB数据，采用红黑树平衡算法进行处理，该算法将USB数据根据优先级生成一棵红黑树，树的每一个节点为一个数据，以使数据可以被快速地检索到，最终提高了USB数据的传输效率。对于硬件中断数据，采用最高优先级算法进行处理，接收到硬件中断数据后，立即将该数据置为最高优先级，使其能立刻被处理，从而提高了整个系统的响应速度，使用户与机器的人机交互感受得到提升。对于以太网数据，可以采用现有技术中的常用算法进行处理，在此不再赘述。

由于本实施例中的零终端机主要是由FPGA（图3未示出）来模拟各个硬件的通信时序的，因此，上面提到的每一个单元，例如以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元、输入/输出单元以及复位单元都要连接到FPGA上，每一个单元接收到数据后，都要先发送给FPGA，由FPGA进行必要的处理后再发送给后续的单元进行处理。具体地，FPGA是通过硬件描述语言VerilogHDL来实现的，只要由编程人员根据需要编写出具备特定功能的硬件描述语言，然后对零终端设备进行上电，FPGA就会初始化，在初始化过程中，具备特定功能的硬件描述语言所表达的通信协议将被灌入FPGA中，使得FPGA成为具有专有功能的集成电路。具体地，可以在零终端机内部设置一个烧录软体芯片，专门用来实现零终端机上电时的初始化过程。

本实施例中的零终端机直接由FPGA实现与网卡和各种输入/输出设备之间的通信，易于定制。而且，由于通信过程完全由硬件完成，不必经过操作系统中的软件的层层处理，使得数据包经过的路由大大减少，因而使得通信过程更加便捷、高效、可靠。而且，由于FPGA的高集成性，还大大减少了PCB上的硬件电路，使得PCB的布线难度也随之下降，这样不仅降低了功耗，还减少了制造成本，降低了出错率。而且，由于没有操作系统，所以也没有固件升级的维护成本。

另外，本实施例中的零终端机，由FPGA直接和以太网处理单元以及输入/输出单元相连，使得零终端机启动时可以由FPGA直接提取启动信息，从而节约启动时间。另外，零终端机在数据传输时直接由FPGA和其他单元进行沟通，不必像传统的PC机那样通过总线去处理数据，这样就提高了工作效率，使整个电路的设计更加集成化、简单化，成本更低，体积更小。

本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种零终端机，其特征在于，包括：壳体，所述壳体外部设置有用于与外部网络设备通信的网络接口和用于与外部输入/输出设备通信的输入/输出接口，所述壳体内部设置有现场可编程门阵列以及分别连接到所述现场可编程门阵列的以太网处理单元、微控制单元、协议引擎单元和输入/输出单元，其中，

所述以太网处理单元还分别与所述网络接口、所述微控制单元相连，用于将来自网络接口的数据进行处理后发送给微控制单元，还用于将来自微控制单元的数据进行处理后发送给网络接口；

所述微控制单元还与所述协议引擎单元相连，用于对来自以太网处理单元的数据进行分析计算后传送给协议引擎单元，还用于将来自协议引擎单元的数据进行分析计算后传送给以太网处理单元；

所述协议引擎单元还与所述输入/输出单元相连，用于对来自微控制单元的数据进行分类，并将分类后的数据传送给输入/输出单元，还用于将来自输入/输出单元的数据传送给微控制单元；

所述输入/输出单元还与所述输入/输出接口相连，用于将来自协议引擎单元的数据传送给输入/输出接口，还用于将来自输入/输出接口的数据传送给协议引擎单元。

2.根据权利要求1所述的零终端机，其特征在于，所述输入/输出接口包括：用于接收视频数据的视频接口、用于接收音频数据的音频接口以及用于接收USB数据的USB接口，所述输入/输出单元包括：用于处理视频数据的视频处理单元、用于处理音频数据的音频处理单元以及用于处理USB数据的USB处理单元，所述视频处理单元、所述音频处理单元和所述USB处理单元分别与所述协议引擎单元相连，所述视频处理单元还与所述视频接口相连，所述音频处理单元还与所述音频接口相连，所述USB处理单元还与所述USB接口相连。

3.根据权利要求2所述的零终端机，其特征在于，所述视频处理单元包括：视频编解码器和视频数模转换器，其中，

所述视频编解码器分别与所述协议引擎单元、所述视频数模转换器相连，用于对来自协议引擎单元的视频数据进行编码或解码后传送给视频数模转换器；

所述视频数模转换器还与所述视频接口相连，用于对来自视频编解码器的视频数据进行数模转换后传送给视频接口。

4.根据权利要求3所述的零终端机，其特征在于，所述视频处理单元进一步包括：与所述视频编解码器相连的视频时钟同步单元，用于对来自视频编解码器的视频数据进行同步。

5.根据权利要求3所述的零终端机，其特征在于，所述视频处理单元进一步包括：

帧缓冲单元，其分别与所述协议引擎单元、所述视频编解码器相连，用于对来自协议引擎单元的视频数据进行缓存后传送给视频编解码器。

6.根据权利要求2所述的零终端机，其特征在于，所述音频处理单元包括：音频编解码器和音频数模转换器，其中，

所述音频编解码器分别与所述协议引擎单元、所述音频数模转换器相连，用于对来自协议引擎单元的音频数据进行编码或解码后传送给音频数模转换器；

所述音频数模转换器还与所述音频接口相连，用于对来自音频编解码器的音频数据进行数模转换后传送给音频接口。

7.根据权利要求2所述的零终端机，其特征在于，所述USB处理单元包括：USB编解码器、USB控制器和USB集线器，其中，

所述USB编解码器分别与所述协议引擎单元、所述USB控制器相连，用于对USB数据进行编码或解码；

所述USB控制器还与所述USB集线器相连，用于对USB数据进行控制；

所述USB集线器还与所述USB接口相连，用于对USB数据进行放大。

8.根据权利要求1所述的零终端机，其特征在于，所述壳体外部进一步设置有复位按键，所述壳体内部进一步包括：连接到现场可编程门阵列的复位单元，该复位单元分别与所述协议引擎单元、所述复位按键相连，用于在所述复位按键按下时产生复位信号，并将所述复位信号传送给协议引擎单元。

9.根据权利要求1所述的零终端机，其特征在于，所述以太网处理单元进一步包括：以太网物理层芯片和以太网介质访问控制层芯片，其中，

所述以太网物理层芯片分别与所述网络接口、所述以太网介质访问控制层芯片相连，用于实现来自网络接口的网络数据的传输通路；

所述以太网介质访问控制层芯片还与微控制单元相连，用于对来自以太网物理层芯片的网络数据进行处理。

10.根据权利要求1所述的零终端机，其特征在于，所述壳体内部进一步包括：连接到现场可编程门阵列的频率控制芯片，所述频率控制芯片与所述输入/输出单元相连，用于对要传输到输入/输出单元的数据的频率进行控制。