CN104360979A - 基于图形处理器的计算机系统 - Google Patents

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Abstract

基于图形处理器的计算机系统，包括主板，所述主板上设置有图形处理器单元、存储器单元、存储控制器单元、显示输出单元、输入/输出扩展单元、和系统扩展单元；所述存储器单元，包括BOOT ROM、闪存、和显存；所述存储控制器单元，包括ROM控制器、闪存控制器、和显存控制器；所述图形处理器单元通过系统总线分别与ROM控制器、闪存控制器、显存控制器、系统扩展单元、输入输出扩展单元、显示输出单元相互连接。本发明大大提高计算机系统的运算能力，能供高性能计算时使用，而且生成容易、成本低廉，性能可靠稳定，具有很高的性价比。能替代传统的x86和RISC计算机系统。

Description

基于图形处理器的计算机系统
【技术领域】
本发明属于计算机领域，具体涉及一种图形处理器(Graphic ProcessingUnit，GPU)计算机系统，可代替传统的x86和RISC计算机系统平台，用于高性能计算。
【背景技术】
随着计算机技术的飞速发展，计算机的计算性能也日新月异。目前，主流的计算机主要通过基于x86架构的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)部件构建，它主要是通过提高CPU的主频或增加CPU的内核数量来增加计算机的计算性能。高性能计算特别是超级计算在科学研究、工程应用等领域发挥着重要作用。
目前，用于高性能计算的计算机系统通常有两类，一类是基于x86架构中央处理器(如Intel的Xeon处理器和AMD的Interlago处理器等)的硬件平台，另一类是基于RISC架构中央处理器(如IBM POWER，SUN SPARC，HP PA－RISC，MIPS处理器等)的硬件平台。随着图形处理器技术的快速发展，图形处理器从最初的用于图形信号的处理，发展成用于通用计算的处理，形成了一种新型的高性能计算技术。下面将分别介绍这三类处理器的计算技术。
(1)、x86架构计算机技术
1978年英特尔公司发布的第1款16位中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)：Intel 8086，诞生x86架构的中央处理器。1981年IBM推出了采用Intel 8086中央处理器的IBM PC-XT计算机系统，从此开始了基于x86中央处理器的计算机时代。英特尔随后发布的80286也是一颗16位的x86结构处理器，它采用16位的x86指令系统，但拥有更为先进的保护模式指令集。从19世纪80年代开始，x86架构快速的发展着。计算机的发展就使英特尔推出基于32位x86指令集的CPU：Intel 80386。此后的30多年间，80486，奔腾系列(Pentium)，赛扬系列(Celeron)，酷睿(Core)系列，志强(Xeon)系列的中央处理器(Central Processing Unit，GPU)的发展成为计算机系统的重要技术，由其构成的计算机系统被称为x86计算机系统。
x86计算机系统存在着如下缺点：首先在x86计算机系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，有20％的指令使用频率最大，占运行时间的80％，即有80％的指令在20％的运行时间内才会用到。其次，x86架构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。然后，x86架构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。x86计算机系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。最后，在x86计算机系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术(如流水技术)来提高系统的性能。虽然，与基于RISC架构的计算机系统相比，基于x86架构的计算机系统在硬件、软件、后期维护、升级等方面的支出都要低，具有一定的优势。但对于需要长时间满负荷运转的一些核心关键应用，宕机带来的风险成本很高，因此如果采用更加稳定可靠的RSIC计算机系统，风险要少得多。另外，x86计算机系统的性能与RISC计算机系统相比，仍然有所差距。
(2)、RISC架构计算机技术
1975年IBM公司首先提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)的概念。1980年代中期到1990年代早期，这种新型高性能RISC处理器崭露头角，这些芯片最初用于专用机器和UNIX工作站，但很快就在各领域计算机系统中流行起来。RISC的最大特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，寄存器数量多，大量操作在寄存器之间进行。因此，在x86架构的计算机技术快速发展的同时，RISC架构也受到人们的关注，并且有不少成功的产品，如IBM POWER，SUN SPARC，HP PA－RISC，MIPS等。从价格上而言，x86架构的计算机更为便宜，而那些基于RISC处理器的计算机系统价格昂贵。
RISC架构的计算机系统存在着如下缺点：在RISC计算机系统中，多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快记忆体，这通常都集成于处理器内部，就是一级缓存(L1 Cache)。一般而言，RISC计算机系统比x86计算机系统更稳定。RISC计算机系统在硬件架构设计上与x86计算机系统有很大的差别，使用了非常多的冗余技术和高可用技术，因此可靠性较高，当然成本也更高。x86计算机系统的硬件质量水平参差不齐，有高有低，硬件做工上稍差。基于RISC架构的计算机系统虽然比较可靠稳定、价格昂贵，且硬件资源比较匮乏，一般用于大型的高性能计算机系统中。因此，RISC计算机系统的性价比较低。
(3)图形处理器高性能计算技术
NVIDIA公司在1999年发布GeForce 256时首先提出图形处理器(GraphicProcessing Unit，GPU)的概念，随后大量复杂的应用需求促使整个产业蓬勃发展至今。GPU的迅速发展带来的并不只是频率的提高，还产生了很多全新的硬件技术，使GPU具有流处理、高密集并行运算、可编程流水线等特性，从而极大地拓展了图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)的处理能力和应用范围。正是由于GPU具有高效的并行性和灵活的可编程性等特点，越来越多的研究人员和商业组织开始利用GPU完成一些非图形绘制方面的计算，并开创了一个新的研究领域：通用计算，其主要研究内容是在图形处理之外的其他领域，如何利用GPU进行更为广泛的高性能计算。
由于图形渲染的高度并行性，使得图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)可以通过增加并行处理单元和存储器控制单元的方式提高处理能力和存储器带宽。图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)设计者将更多的晶体管用作执行单元，而不是像中央处理器(CPU)那样用作复杂的控制单元和缓存并以此来提高少量执行单元的执行效率。因此，与传统的中央处理器(CPU)相比，图形处理器(GPU)在计算能力和存储器带宽上有明显优势，在成本和功耗上也不需要付出太大代价。
GPU通用计算被越来越多的采用，除了GPU本身架构的优越性，市场需求也是重要的原因。比如很多企业或科研单位无法布置昂贵的高性能计算机集群，而大部分普通用户PC上装配的GPU使用率很低。由于GPU具有比CPU更高的计算能力。如果把整个平台的硬件资源都包含在内，其性能要比x86的硬件平台高出很多。因此，提高GPU利用率的有效途径就是将软件的部分计算任务分配到GPU上，从而实现高性能、低功耗的最终目标。
目前，计算行业正在从只使用CPU的“中央处理”向CPU与GPU并用的“协同处理”发展，即计算机系统采用CPU+GPU的异构模式，由CPU负责执行复杂逻辑处理和事务处理等不适合数据并行的计算，由GPU负责计算密集型的大规模数据并行计算。但是这种所谓的GPU+CPU异构超级计算机并不是完全基于GPU进行计算。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有强大计算能力和高性价比的基于GPU进行控制和计算的计算机系统。
本发明是这样实现的：
基于图形处理器的计算机系统，包括主板，所述主板上设置有图形处理器单元、存储器单元、存储控制器单元、显示输出单元、输入/输出扩展单元、和系统扩展单元；
所述存储器单元，包括BOOT ROM、闪存、和显存；
所述存储控制器单元，包括ROM控制器、闪存控制器、和显存控制器；
所述图形处理器单元通过系统总线分别与ROM控制器、闪存控制器、显存控制器、系统扩展单元、输入输出扩展单元、显示输出单元相互连接；
所述图形处理器单元、显存、显存控制器、闪存、闪存控制器、BOOTROM、ROM控制器、显示输出单元中的接口，系统扩展单元及其接口、输入/输出扩展单元及接口都安装在所述主板上，通过系统总线进行连接；
所述图形处理器单元中至少有一个图形处理器部件用于控制系统和各种计算应用；所述图形处理器部件是一个基于GPU内核的单片IC芯片，包括实时时钟、串行通信接口、中断控制器、通用I/O控制、视频输出控制；
所述计算机系统以图形处理器单元为核心，电源管理模块、时钟管理模块和复位逻辑模块为所述图形处理器单元相连接，为其提供正常的电源、时钟和复位信号。
还包括直流电源，所述直流电源直接与所述图形处理器部件连接，电源接口为多个12V的6ping和8ping接口。
还包括图形处理器部件的散热装置，所述散热装置安装在图形处理器部件的正对位置。
所述BOOT ROM是一片用来存放引导系统程序的FLASH ROM，它通过ROM控制器与图形处理器部件进行连接。
还包括外设，与所述主板连接；其中所述外设包括鼠标、键盘、和显示器。
所述显示输出单元的接口包括VGA、DVI、或HDMI。
所述系统扩展单元的接口包括以太网控制器、或RJ45接口。
所述输入/输出扩展单元的接口包括USB控制器、USB接口、串口、或并行接口。
本发明的优点在于：(1)系统结构设计简单，实现容易。(2)通过高效的并行性、高密集的运算和超长图形流水线实现系统的高性能计算。(3)系统具有广泛的应用领域，包括科学计算、流体模拟、数据库应用、频谱分析等非图形应用领域，甚至包括智能信息处理系统和数据挖掘工具等商业化应用。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明的GPU计算机系统的结构图。
【具体实施方式】
如图1所示，基于图形处理器的计算机系统，包括主板，所述主板上设置有图形处理器单元、存储器单元、存储控制器单元、显示输出单元、输入/输出扩展单元、和系统扩展单元；
所述存储器单元，包括BOOT ROM、闪存、和显存；
所述存储控制器单元，包括ROM控制器、闪存控制器、和显存控制器；
所述图形处理器单元通过系统总线分别与ROM控制器、闪存控制器、显存控制器、系统扩展单元、输入输出扩展单元、显示输出单元相互连接；
所述图形处理器单元、显存、显存控制器、闪存、闪存控制器、BOOT ROM、ROM控制器、显示输出单元中的接口，系统扩展单元及其接口、输入/输出扩展单元及接口都安装在所述主板上，通过系统总线进行连接；
所述图形处理器单元中至少有一个图形处理器部件用于控制系统和各种计算应用；所述图形处理器部件是一个基于GPU内核的单片IC芯片，包括实时时钟、串行通信接口、中断控制器、通用I/O控制、视频输出控制；
所述计算机系统以图形处理器单元为核心，电源管理模块、时钟管理模块和复位逻辑模块为所述图形处理器单元相连接，为其提供正常的电源、时钟和复位信号。
图形处理器(GPU)、显存、显存控制器、闪存、闪存控制器、BOOT ROM、ROM控制器、显示输出单元中的接口(如VGA、DVI、HDMI等)，系统扩展控制器及接口(如以太网控制器、RJ45接口等)、输入输出扩展控制器及接口(USB控制器、USB接口、串口、并行接口等)都安装在主板上，它们通过系统总线进行连接。电源、鼠标、键盘、显示器等外设与主板连接，从而形成计算机系统。
图形处理器(GPU)部件是一个基于GPU内核的单片IC芯片，不但运算能力大大超过了CPU，而且片内集成了丰富的硬件资源，包括实时时钟、串行通信接口、中断控制器、通用I/O控制、视频输出控制等。现有技术的图形处理器(GPU)部件包括NVIDIA、AMD和Intel的图形处理器(GPU)，这些不同厂商的GPU部件都可以应用在本发明的GPU计算机系统中。
整个系统以图形处理器(GPU)为核心，电源管理模块、时钟管理模块和复位逻辑模块为图形处理器(GPU)提供正常的电源、时钟和复位信号。
图形处理器(GPU)内嵌了比x86平台的CPU更多的系统资源，可以直接支持显示输出，可以方便的连接扩充模块，利用GPU构建一个通用计算平台比用x86架构的CPU和RISC架构的CPU构建计算机系统更容易和需要更少的辅助电路，应此成本更低、性能更可靠。
在上述技术方案中，还包括直流电源，所述直流电源直接与所述图形处理器(GPU)部件连接，电源接口为多个12V的6ping和8ping接口，其电源功率主要取决于图形处理器(GPU部件)所需功率。由于图形处理器(GPU)部件配置了众多的计算内核，其在计算时会产生大量的热量。为了保证系统的散热，在本发明的技术方案中包含了图形处理器(GPU)部件的散热装置/模块，所述散热装置安装在图形处理器(GPU)部件的正对位置。
系统的存储器单元包括BOOT ROM、显存和闪存。所述BOOT ROM是一片用来存放引导系统程序的FLASH ROM，它通过ROM控制器模块与图形处理器(GPU部件)进行连接。显存是计算机系统的内存，它通过显存控制器与图形处理器(GPU)进行通信，用于应用程序运行和数据存储区。闪存(Flash)是一电子硬盘，它通过闪存控制器与图形处理器(GPU)进行通信，用于替代硬盘存放数据和数据。闪存存储器可以采用NOR或者NAND非线性技术的FLASH芯片，但不限于此。
显示输出接口通过主板上的系统总线直接与GPU的视频输出接口连接。系统扩展单元和输入输出单元通过以太网控制器、USB控制器、串口控制器、并口控制器、IDE/SATA控制器等控制器及其接口提供了计算机系统所需的系统扩展。
该计算机系统中，图形处理器(GPU)作为系统的控制、计算和显示输出部件。计算机的系统调度和控制(即运行操作系统)，高性能应用计算(即运行计算应用程序)，以及输出显示都由图形处理器(GPU)部件提供，而非基于x86架构或RISC架构的中央处理器(CPU)。所述图形处理器(GPU)部件包含NVIDIA、AMD和Intel的GPU内核。
GPU计算机系统包含有显存，其通过显存控制器与GPU交换指令和数据。所述系统包含闪存，其通过闪存控制器与GPU交互数据，用于存储操作系统、应用程序和用户数据，其作用相当于x86架构下的计算机硬盘。GPU计算机系统将工作在支持图形处理器(GPU)指令集的操作系统下。
本发明不但比传统的x86和RISC计算机系统相比具有更强的运算能力，大大提高计算机系统的运算能力，能供高性能计算时使用，而且生成容易、成本低廉，性能可靠稳定，具有很高的性价比。能替代传统的x86和RISC计算机系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：包括主板，所述主板上设置有图形处理器单元、存储器单元、存储控制器单元、显示输出单元、输入/输出扩展单元、和系统扩展单元；
所述存储器单元，包括BOOT ROM、闪存、和显存；
所述存储控制器单元，包括ROM控制器、闪存控制器、和显存控制器；
所述图形处理器单元通过系统总线分别与ROM控制器、闪存控制器、显存控制器、系统扩展单元、输入输出扩展单元、显示输出单元相互连接；
所述图形处理器单元、显存、显存控制器、闪存、闪存控制器、BOOTROM、ROM控制器、显示输出单元中的接口，系统扩展单元及其接口、输入/输出扩展单元及接口都安装在所述主板上，通过系统总线进行连接；
所述图形处理器单元中至少有一个图形处理器部件用于控制系统和各种计算应用；所述图形处理器部件是一个基于GPU内核的单片IC芯片，包括实时时钟、串行通信接口、中断控制器、通用I/O控制、视频输出控制；
所述计算机系统以图形处理器单元为核心，电源管理模块、时钟管理模块和复位逻辑模块为所述图形处理器单元相连接，为其提供正常的电源、时钟和复位信号。
2.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：还包括直流电源，所述直流电源直接与所述图形处理器部件连接，电源接口为多个12V的6ping和8ping接口。
3.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：还包括图形处理器部件的散热装置，所述散热装置安装在图形处理器部件的正对位置。
4.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：所述BOOT ROM是一片用来存放引导系统程序的FLASH ROM，它通过ROM控制器与图形处理器部件进行连接。
5.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：还包括外设，与所述主板连接；其中所述外设包括鼠标、键盘、和显示器。
6.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：所述显示输出单元的接口包括VGA、DVI、或HDMI。
7.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：所述系统扩展单元的接口包括以太网控制器、或RJ45接口。
8.如权利要求1所述的基于图形处理器的计算机系统，其特征在于：所述输入/输出扩展单元的接口包括USB控制器、USB接口、串口、或并行接口。
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