CN107168478A - 一种高显示能力的嵌入式板卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式板卡，包括：主板；以及主板上的处理器和GPU；其中，处理器与GPU设置在主板的对角位置并靠近主板的边缘。

Description

一种高显示能力的嵌入式板卡

技术领域

本申请涉及计算机技术领域；更具体地，涉及一种用于嵌入式产品的计算机板卡。

背景技术

嵌入式计算机产品目前应用的领域多为对应用环境例如温度、湿度、震动、冲击等方面有特殊要求的领域。这些领域涉及工业自动化、工业控制、交通、医疗、通信、航空航天以及国防等领域。对于这些特殊的应用领域来说，可靠性和稳定性因素显得尤为重要。然而，目前的嵌入式计算机产品的显示能力有限，限制了嵌入式计算机产品的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种嵌入式板卡，包括：主板；以及主板上的处理器和GPU；其中，处理器与GPU设置在主板的对角位置并靠近主板的边缘。

如上所述的嵌入式板卡，进一步包括多个内存芯片或一个或多个内存插槽；其中多个内存芯片或一个或多个内存插槽设置于主板上安装前向接口的前侧和与其相邻的第一侧定义的角落并与处理器相邻；其中GPU设置在靠近主板的与前侧相邻的第二侧。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括在主板上靠近前向接口的第一芯片区域，靠近安装后向接口的第二芯片区域，以及在多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU与第二芯片区域之间的第三芯片区域。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括芯片组，其设置在主板的中间而不靠近主板的各个边缘，以及在主板上芯片组与GPU之间的第四芯片区域。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括处理器与GPU之间的高速数据流通道，其中高速数据流通道经过第一芯片区域。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括第一供电通道，所述第一供电通道经过电源接口、第三芯片区域、多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU、高速数据流通道和GPU。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括多个内存芯片或一个或多个内存插槽；其中GPU设置于主板上安装前向接口的前侧和与其相连的第一侧定义的角落；其中处理器设置在靠近主板的与前侧相邻的第二侧且与多个内存芯片或一个或多个内存插槽相邻。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括芯片组，其设置在主板的中间而不靠近主板的各个边缘，以及主板上GPU与第一芯片区域之间的第四芯片区域。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括处理器与GPU之间的高速数据流通道，其中高速数据流通道经过第一芯片区域和第四芯片区域。

如上所述的一个或多个嵌入式板卡，进一步包括第一供电通道，所述第一供电通道经过电源接口、第三芯片区域、GPU、高速数据流通道、和多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU。

如上所述的嵌入式板卡，包括如下优化中的一种或多种：a.去掉测试、预留或复用功能；b.将之前多个IC芯片搭建的电源输出改成单个模块电源输出；以及c.减少老版或早期使用的而现今使用较少的总线。

根据本发明的另一个方面，提出了一种系统，包括如上任一所述的嵌入式板卡。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的逻辑拓扑图；

图2是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的布置示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的信号流向示意图；

图4是根据本发明的另一个实施例的嵌入式板卡的布置示意图；以及

图5是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡应用系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在嵌入式产品领域中，主流处理器模块处理性能强大。例如，处理器可以是intelCore系列处理器，并且主板上包括相应PCH(Platform Controller Hub)套片。处理器模块集成具有显示功能图形处理单元GPU。然而，当应用中需要高性能显示处理能力时，处理器模块集成的GPU就无法满足了需求了。

现有技术中一般通过增加独立的显示模块来扩展产品的显示性能，例如AMD公司的random系列产品。具体而言，现有的嵌入式产品是将分别处于两块板卡上的处理器模块和显示模块搭配使用。例如，这样的两块板卡可以都是6U板卡，并且通过背板互连PCIE总线的方式连接。但是，采用两块板卡的方式会增加成本，造成资源的浪费。更为重要的是，这种方式的PCIE总线路径较难控制，其接口连接器的性能、背板总线、总线总长度等因素均会导致总线传输性能降低，从而影响产品的显示性能。

本申请提供了一种全新的板卡设计，将处理器模块和独立显示模块布置在同一块板卡上，从而避免了上述由于例如PCIE总线连接两块板卡而产生传输性能下降从而影响产品性能。并且，这种集成化的板卡设计节省了板卡使用个数，降低了产品的成本。

图1是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的逻辑拓扑图。如图1所示，嵌入式板卡上包括了中央处理器CPU、GPU(E8860)、内存、芯片组、音频处理器、以及多种I/O接口及其接口芯片，其中多种I/O接口中包括前向接口和作为后向接口的VPX总线连接器。为了提供高性能的图形显示能力，嵌入式板卡上包括了GPU，即AMD公司的E8860显示芯片。在GPU与CPU之间，采用高速通信接口，例如PCIEX16，以实现GPU与CPU之间的高速数据传输。由于GPU与CPU之间并未包括任何的额外的连接器或背板总线，而传输总线的长度也被控制住了合理的范围内。因此，本实施例的嵌入式板卡可以实现高性能的图形显示。芯片组，例如PCH套片，连接在CPU与多种I/O接口的芯片和音频处理器之间。

图2是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的布置示意图。图2的实施例示出了嵌入式产品常见的6U主板上一种布置的示意图。如图2所示，主板上包括处理器201、GPU202、芯片组203、多个内存芯片2041-2046、前向接口205、后向接口206以及其他芯片；其中前向接口布置在主板的前侧而后向接口布置在主板的后侧。根据本发明的一个实例，多个内存芯片也可以有内存插槽代替。

为了保证处理器201与内存芯片2041-2046之间的高速通信，处理器201与内存芯片2041-2046相邻，并靠近主板上安装有前向接口205的前侧。进一步地，多个内存芯片设置在主板前侧和右侧定义的角落位置，处理器201紧邻多个内存芯片并靠近主板的前侧。本发明没有选择将处理器201置于主板前侧和右侧定义的角落位置是由于这样虽然可以最大限度地将处理器和GPU分离，然而却容易造成布线困难，影响传输性能。本文中“靠近”指位置上接近，例如距离小于5厘米，或者小于3厘米，或者小于1厘米，或者小于0.5厘米；但并不代表二者之间没有设置任何其他器件。

根据本发明的一个实施例，GPU202设置在主板右侧，尽可能地靠近主板右侧和安装有后向接口206的主板后侧。由此，GPU202尽可能地与CPU201远离。CPU201与GPU202之间包括高速数据流通道301，例如PCIE16x，以实现嵌入式系统的高性能显示能力。

根据本发明的一个实施例，芯片组203设置在主板中间而不与主板的各个侧相靠近。由于芯片组203与主板上很多芯片都需要相互通信，因此将其设置在中间将便于实现其与主板上的其他芯片之间的连接布线。根据本发明的一个实施例，芯片组203与高速数据流通道301间隔开。

根据本发明的一个实施例，前向接口205可以包括VGA接口(HDMI接口)、USB接口、网络接口、Reset键等接口。相应地，在主板上靠近前向接口205包括芯片区域A，以容纳与前向接口205配合的芯片，例如USB芯片、网络适配器芯片等。

根据本发明的一个实施例，后向接口206可以包括HDMI接口、高速/低速USB接口、网络接口、音频接口、用户设备输入接口、电源接口以及多个数据接口。相应地，在主板上靠近后向接口206包括芯片区域B，以容纳与后向接口206配合的芯片，例如USB芯片、网络适配器芯片、音频处理芯片、用户设备处理芯片、电源芯片和数据总线芯片等。

根据本发明的一个实施例，主板上还可以包括其他一些芯片，例如用于与机械硬盘连接SATA接口和SATA处理芯片、用于与固态硬盘连接的SSD接口和SSD处理芯片、BIOS系统、状态/故障指示系统等。

根据本发明的一个实施例，主板上进一步进行了如下的优化：

a.去掉测试、预留或复用功能；例如清除0欧姆电阻的使用；

b.将之前多个IC芯片搭建的电源输出改成单个模块电源输出来为各个芯片提供各路供电电压，大大节省了布局空间；

c.减少了例如并口、软驱、IDE总线等老版或早期使用的而现今使用较少的总线。

根据本发明的一个实施例，主板上在内存芯片2014-2046与芯片区域B之间和芯片组203的右侧，定义了芯片区域C。芯片区域C可以用于容纳主板上与前向接口和后向接口无关的其他芯片。进一步地，在GPU202与芯片组203之间定义了芯片区域D。芯片区域D也可以用于容纳主板上与前向接口和后向接口无关的其他芯片。

与后向接口206有关的区域可能更多的接口芯片而芯片区域B无法容纳所有的与后向接口有关的芯片。根据本发明的一个实施例，与后向接口有关的芯片可以被置于芯片区域C或者芯片区域D中。特别地，与后向接口中的数据接口可能需要与其配合的处理能力较强的数据处理芯片。为了使整个主板的散热更佳，负载分配更为合理，根据本发明的一个实施例，处理能力较强的数据处理芯片可以置于芯片区域C。

根据本发明的一个实施例，可以更加灵活地在芯片区域A-D中放置芯片。例如与前向或后向接口无关的芯片也可以放置在芯片区域A和B中。

芯片区域A-芯片区域D中的芯片可以连接到芯片组203，再通过芯片组203连接到处理器201。一般而言，芯片区域A-芯片区域D中的芯片与芯片组203之间的连接都是低速数据流通道。芯片组203与处理器201之间的数据通道，例如DMI信号，虽然相比于CPU与GPU之间的数据通道数据流量没有那么大，但也属于高速信号的一种。。

根据本发明的一个实施例，高速数据流通道可以为PCIEX16总线或其他支持1080P以上分辨率的视频信号处理的数据总线。低速数据通道可以为PCI总线、串口总线、网络总线、GPIOX8总线等多种数据总线。

图3是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡的信号流向示意图。图3示出了图2所示实施例中各个芯片之间的信号流向。由于嵌入式板卡的面积有限，加入了GPU之后所带来的问题主要集中在CPU与GPU的供电和散热的问题上。如图3所示，嵌入式板卡的主板从后向接口206中的电源接口获得功率，其包括5v和12v两路供电通道。由于CPU201和GPU202所需要的功率都较高，主板上的高功率供电通道从电源接口开始首先经过多个内存芯片2041-2046，再经过CPU201，然后经过GPU202，实现高功率的电能输送。而对于主板上的芯片组和其他芯片，其所需要的功率较小，主板上的低功率供电通道从电源接口开始，向芯片组和其他芯片供电，从而实现低功率的电能输送。

结合图2，在本实施例中沿着主板的边缘从主板的右侧，到前侧，再到左侧实现了一个大致U形的高功率供电通道。这种供电方式虽然经过了芯片区域C和芯片区域A，由于其功率较高可能会对芯片区域A和C中的芯片带来电源噪声。然而，芯片区域A和C的面积都比较大，可以通过调整抗干扰的芯片或者增大间隔距离等方式减小这种噪声带来的影响。而这样布置的好处在于，主板内部的大片空间则并不会受到影响。当然，不可避免地，高功率供电通道和高速数据流通道可能重合而带来热量的积聚。经过发明人的实际检测，这种热量的积聚相比于CPU和GPU的热量仍然较小，并不会影响到嵌入式系统的整体性能。

更进一步地考虑散热问题，在嵌入式板卡的主板上，发热量最大的CPU(含内存芯片)和GPU被尽可能地放置在了板卡上对角的位置，使得二者之间的距离尽可能地增加，从而减小了热量的积累。而作为主板上的另一个热源，芯片组，其被布置在主板的中间，与CPU和GPU都间隔了一定的距离。特别是其与GPU之间定义了芯片区域D，从而使得其可以尽量远离GPU。更进一步地，与后向接口有关的数据处理芯片也可能是一个较大的热源，其可以被放置于芯片区域B中靠近右侧的区域，或者芯片区域C中，从而使得整个主板上的热源分布更为平均。根据本发明的一个实施例，嵌入式板卡可以包括覆盖CPU或者GPU的散热器。散热器可以为L型、U型、或者覆盖整个嵌入式板卡的主板。

根据本发明的一个实例，将CoreTM i7四代处理器与AMD显示GPU E8860通过再设计完美整合到6U板型的板卡上。处理器模块通过高速PCI ExpressX16总线实现与GPU的无缝连接，在嵌入式系统中将CPU超强的串行事务式逻辑运算和GPU高性能的显示能力发挥到极致。

根据发明人的实际检测，如图2的实施例的嵌入式6U板卡，虽然增加了高性能的GPU，在不加入额外散热器的情况下，即使插入到空间较小的机柜中，板卡的发热有所增加，然而却并不影响整个板卡数据和图形的处理性能，而且经过长时间工作后，性能也不会降低。

图4是根据本发明的另一个实施例的嵌入式板卡的布置示意图。如图4所示，主板上同样包括处理器201、GPU202、芯片组203、多个内存芯片2041-2046、前向接口205、后向接口206以及其他芯片；其中前向接口布置在主板的前侧而后向接口布置在主板的后侧。

与图2的实施例不同，GPU202被设置于主板前侧和右侧所定义的角落而CPU201被放置在靠近主板左侧并尽可能靠近与后向接口有关的芯片区域B。多个内存芯片2041-2046紧邻CPU201放置，位于主板的中间。而芯片组203则靠近内存芯片2041-2046放置，其可以位于多个芯片2041-2046的上方或者右侧(未示出)。

与图2的实施例类似，主板上与前向接口靠近的区域定义了芯片区域A，用于容纳与前向接口有关的芯片；主板上与后向接口靠近的区域定义了芯片区域B，用于容纳与后向接口有关的芯片。在GPU与芯片区域B之间定义了芯片区域C，而在GPU与芯片区域A之间定义了芯片区域D。

与后向接口有关的区域可能更多的接口芯片而芯片区域B无法容纳所有的与后向接口有关的芯片。根据本发明的一个实施例，与后向接口有关的芯片可以被置于芯片区域C中。特别地，与后向接口中的数据接口可能需要与其配合的处理能力较强的数据处理芯片。为了使整个主板的散热更佳，负载分配更为合理，根据本发明的一个实施例，处理能力较强的数据处理芯片可以置于芯片区域C。

根据本发明的一个实施例，可以更加灵活地在芯片区域A-D中放置芯片。例如与前向或后向接口无关的芯片也可以放置在芯片区域A和B中。

与图2的实施例类似，本实施例中的高功率供电通道从后向接口的电源接口获得功率，然后经过GPU再向CPU和内存芯片供电，也形成了一个沿着主板边缘大致呈U型的供电通道。然而，高功率供电通道经过了3个芯片区域，即芯片区域A、C和D。这有可能会带来更多噪声的问题，或者增加了解决噪声问题的难度。然而，由于内存芯片被放置到了主板的中间，CPU和GPU之间的距离可以达到可能范围内的最大，这有利于进一步减小板卡上热量的积聚，从而使得板卡支持采用性能更高的处理器和GPU。

图5是根据本发明的一个实施例的嵌入式板卡应用系统示意图。如图5所示，系统包括多个音视频采集系统A-C，以及多个如本发明以上实施例的高显示能力嵌入式板卡A-C。多个音视频采集系统A-C分别连接到多个高显示能力嵌入式板卡A-C。多个高显示能力嵌入式板卡A-C输出到高清显示器中。系统包括进一步包括输入控制系统。使用者在输入控制系统上操作可以是实现在高清显示器多个音视频采集系统A-C的切换以及控制。

通过采用本发明的高显示能力嵌入式板卡，可以极大地提高系统的显示能力，消除两块板卡之间的连接所带来的显示性能降低，减小系统的配置难度和系统的稳定性，从而使得系统可以支持更多路的音视频采集系统。

本领域技术人员应当理解，以上的实施例仅仅是本发明的集成GPU的高性能嵌入式板卡的一个应用。本领域技术人员可以将本发明的集成GPU的高性能嵌入式板卡应用到其他系统中而获得提高的显示能力，而这些系统也都在本发明的保护范围之内。

上面概述了几个实施例的特征使得本领域技术人员可较好地理解本申请的方面。本领域技术人员应当理解他们可容易地使用本申请作为基础以设计或修改其他工艺和结构以实行相同目的和/或实现在此介绍的实施例的相同优点。本领域技术人员也应意识到这种等同构造没有脱离本申请的精神和范围内，并且他们在没有脱离本申请的精神和范围情况下可以做各种改变、代替和更改。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (12)

1.一种嵌入式板卡，包括：

主板；以及

主板上的处理器和GPU；

其中，处理器与GPU设置在主板的对角位置并靠近主板的边缘。

2.根据权利要求1所述的嵌入式板卡，进一步包括多个内存芯片或一个或多个内存插槽；其中多个内存芯片或一个或多个内存插槽设置于主板上安装前向接口的前侧和与其相邻的第一侧定义的角落并与处理器相邻；其中GPU设置在靠近主板的与前侧相邻的第二侧。

3.根据权利要求2所述的嵌入式板卡，进一步包括在主板上靠近前向接口的第一芯片区域，靠近安装后向接口的第二芯片区域，以及在多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU与第二芯片区域之间的第三芯片区域。

4.根据权利要求3所述的嵌入式板卡，进一步包括芯片组，其设置在主板的中间而不靠近主板的各个边缘，以及在主板上芯片组与GPU之间的第四芯片区域。

5.根据权利要求3所述的嵌入式板卡，进一步包括处理器与GPU之间的高速数据流通道，其中高速数据流通道经过第一芯片区域。

6.根据权利要求5所述的嵌入式板卡，进一步包括第一供电通道，所述第一供电通道经过电源接口、第三芯片区域、多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU、高速数据流通道和GPU。

7.根据权利要求1所述的嵌入式板卡，进一步包括多个内存芯片或一个或多个内存插槽；其中GPU设置于主板上安装前向接口的前侧和与其相连的第一侧定义的角落；其中处理器设置在靠近主板的与前侧相邻的第二侧且与多个内存芯片或一个或多个内存插槽相邻。

8.根据权利要求7所述的嵌入式板卡，进一步包括：

芯片组，其设置在主板的中间而不靠近主板的各个边缘；以及

主板上GPU与第一芯片区域之间的第四芯片区域。

9.根据权利要求7所述的嵌入式板卡，进一步包括处理器与GPU之间的高速数据流通道，其中高速数据流通道经过第一芯片区域和第四芯片区域。

10.根据权利要求5所述的嵌入式板卡，进一步包括第一供电通道，所述第一供电通道经过电源接口、第三芯片区域、GPU、高速数据流通道、和多个内存芯片或一个或多个内存插槽和CPU。

11.根据权利要求1所述的嵌入式板卡，包括如下优化中的一种或多种：

a.去掉测试、预留或复用功能；

b.将之前多个IC芯片搭建的电源输出改成单个模块电源输出；以及

c.减少老版或早期使用的而现今使用较少的总线。

12.一种系统，包括如权利要求1-11任一所述的嵌入式板卡。