CN107704413A - 一种基于vpx架构的加固型并行信息处理平台 - Google Patents

一种基于vpx架构的加固型并行信息处理平台 Download PDF

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方蓓
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Abstract

本发明公开了一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，包括主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡、信号交互背板，9片式VPX 3U加固紧凑型机箱以及基于该平台的并行信息处理实现方式。信号交互背板实现了主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡之间的高速数据交互。本发明中的并行信息处理实现方式，结合硬件平台信号传输设计优化了信息处理流程，实现了信息的高速并行处理。

Description

一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台
技术领域
本发明属于数字信号处理领域，涉及计算机硬件技术与软件设计，尤其涉及一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台。
背景技术
随着信息数据处理技术的飞速发展，新技术、新算法需要在具备大数据量传输、处理能力的硬件平台上实现，例如监控视频分析、无人机视频处理、雷达信息处理等领域中的新算法均对硬件平台的处理能力有较高的要求。此外，在车载、机载等应用环境中，除对信息处理硬件平台的性能有一定要求外，对硬件平台的尺寸、功耗、环境适应性与加固性指标也有严格的要求。
现有的工业级及以上等级计算设备，主要以COM-E(Com Express)模块扩展硬件平台与CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)架构硬件平台为主。COM-E模块扩展硬件平台的扩展性与整体环境性指标受限于其COM-E母板的设计，硬件平台的通用性较差，开发设计周期长。CPCI硬件平台可靠性较高，但限于CPCI架构的传输速率，对高性能的计算需求难以满足。VPX架构(VPX总线是VITA(VME International Trade Association,VME国际贸易协会)组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。)接口具有良好的电磁兼容性，同时兼容PCIE等高速串行总线协议，能够解决数据带宽不足的问题，单片VPX 3U板卡的尺寸为100mm×160mm×20.3mm，适合搭建加固紧凑型的信息处理硬件平台。
在大数据量的处理需求面前，利用GPU(Graphics Processing Unit，图像处理单元)的多流水线特性实现并行加速处理技术在图像处理、大数据分析、神经网络学习等领域均得到了广泛应用。典型的GPU并行计算信息处理流程需要由中央处理器下发并行任务，GPU完成计算后将结果返回给主处理器数据总线，再实现信息的输出，在执行大数据量计算时，信息多次传输将占用较多的处理时间。
通过结合VPX架构与GPU并行计算的优势，设计一种能够在车载、机载等对尺寸、功耗、环境适应性与加固性指标要求较高的应用环境中工作的硬件平台，并结合硬件平台优化GPU并行处理信息流程实现高性能并行信息处理，具备较高的研究意义与实用价值。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，应用该发明能够满足在车载、机载等对尺寸、功耗、环境适应性与加固性指标要求较高的应用环境中的高性能并行计算需求。
技术方案：为实现上述目的，本发明所述的基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，包括主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡、信号交互背板、9片式VPX 3U加固紧凑型机箱，所述主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡为VPX 3U结构。
主处理板卡包括CPU芯片、内存、板载启动盘，主处理板卡与信号交互背板连接，实现SATA、PCIE、以太网接口、USB、RS-232串行接口以及供电信号的传递。
GPU并行处理板卡包括GPU芯片、显存，GPU并行处理板卡与信号交互背板连接，实现PCIE、VGA、HDMI以及供电信号的传递。
扩展存储板卡包括外扩SATA接口及工业级2.5寸固态硬盘，扩展存储板卡与信号交互背板连接，实现SATA接口和供电信号的传递。
扩展数据接口板卡包括外扩的主处理板卡上的2个以太网接口、2个USB接口、2个RS-232接口，以及GPU并行处理板卡上的1个VGA接口和1个HDMI接口，扩展数据接口板卡与信号交互背板连接，实现以太网接口、USB接口、RS-232串行接口、VGA、HDMI以及供电信号的传递。
供电板卡与信号交互背板连接，为所有连接在信号交互背板上的板卡提供相应电压的电源，以保证平台的正常工作。
散热板卡与其他板卡之间无信号连接，散热板卡分别安装在主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间，共计4块，利用散热鳍片将各板卡的热量快速导出。
信号交互背板用于实现主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间的信号线和供电线的可靠互连。
9片式VPX 3U加固紧凑型机箱用于安装主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡和信号交互背板，并实现平台加固与散热功能。
平台处理数据的流程如下：
步骤1，平台利用扩展数据接口板卡采集数据，并通过信号交互背板将数据传给主处理板卡；
步骤2，主处理板卡通过与扩展存储板卡之间的交互(交互指通过信号交互背板传输的SATA信号实现的数据读写)实现数据的读取与存储；
步骤3，主处理板卡将数据处理成适合GPU并行计算的形式(比如单程序多数据SPMD的形式)并向GPU并行处理板卡下发并行处理任务；
步骤4，GPU并行处理板卡完成并行计算后，利用VPX高速总线将计算结果直接通过扩展数据接口板卡输出，并同时实现与主处理板卡的交互(交互指通过信号交互背板传输的PCIE信号实现与主处理板卡的数据交互，以及通过信号交互背板传输的HDMI或VGA信号实现与扩展数据接口板卡的数据输出)。
有益效果：本发明采用VPX架构设计的加固型并行信息处理平台能够满足高性能的数据传输、处理需求，同时具有加固、小型化、环境适应性好的优点，特别适用于车载、机载等对尺寸、功耗、环境适应性与加固性指标要求较高，且需要实现高性能并行信息处理的应用场景，填补了当前市面上此类设备的空白，具有较高的实际应用价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明平台中主要板卡的连接示意图；
图2为基于本发明平台的并行信息处理实现方式的信息处理流程图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述的基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，包括主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡、信号交互背板、9片式VPX 3U加固紧凑型机箱，所述主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡为VPX 3U结构。
主处理板卡包括CPU芯片、内存、板载启动盘，主处理板卡与信号交互背板连接，实现SATA、PCIE、以太网接口、USB、RS-232串行接口以及供电信号的传递。
GPU并行处理板卡包括GPU芯片、显存，GPU并行处理板卡与信号交互背板连接，实现PCIE、VGA、HDMI以及供电信号的传递。
扩展存储板卡包括外扩SATA接口及工业级2.5寸固态硬盘，扩展存储板卡与信号交互背板连接，实现SATA接口和供电信号的传递。
扩展数据接口板卡包括外扩的主处理板卡上的2个以太网接口、2个USB接口、2个RS-232接口，以及GPU并行处理板卡上的1个VGA接口和1个HDMI接口，扩展数据接口板卡与信号交互背板连接，实现以太网接口、USB接口、RS-232串行接口、VGA、HDMI以及供电信号的传递。
供电板卡与信号交互背板连接，为所有连接在信号交互背板上的板卡提供相应电压的电源，以保证平台的正常工作。
散热板卡与其他板卡之间无信号连接，散热板卡分别安装在主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间，共计4块，利用散热鳍片将各板卡的热量快速导出。
信号交互背板用于实现主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间的信号线和供电线的可靠互连。
9片式VPX 3U加固紧凑型机箱用于安装主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡和信号交互背板，并实现平台加固与散热功能。
平台处理数据的流程如下：
步骤1，平台利用扩展数据接口板卡采集数据，并通过信号交互背板将数据传给主处理板卡；
步骤2，主处理板卡通过与扩展存储板卡之间的交互(交互指通过信号交互背板传输的SATA信号实现的数据读写)实现数据的读取与存储；
步骤3，主处理板卡将数据处理成适合GPU并行计算的形式(比如单程序多数据SPMD的形式)并向GPU并行处理板卡下发并行处理任务；
步骤4，GPU并行处理板卡完成并行计算后，利用VPX高速总线将计算结果直接通过扩展数据接口板卡输出，并同时实现与主处理板卡的交互(交互指通过信号交互背板传输的PCIE信号实现与主处理板卡的数据交互，以及通过信号交互背板传输的HDMI或VGA信号实现与扩展数据接口板卡的数据输出)。
实施例
实施例中的主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、和4块散热板卡均按照VPX 3U结构设计，共计9块VPX 3U板卡；主处理板卡主要包含CPU芯片、内存、板载启动盘；GPU并行处理板卡主要包含GPU芯片、显存；扩展存储板卡主要包含外扩SATA接口及工业级2.5寸固态硬盘；扩展数据接口板卡主要包含外扩主处理板卡上的2个以太网接口、2个USB接口、2个RS-232串行接口，以及GPU并行处理板卡上的1个VGA接口和1个HDMI接口；供电板卡功耗负载最大支持300W；散热板卡与其他板卡之间无信号连接，分别安装在主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间，共计4块，利用散热鳍片将各板卡的热量快速导出。
实施例中利用信号交互背板实现了主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间的信号线和供电线的可靠互连，其连接关系如图1所示。9片式VPX 3U加固紧凑型机箱用于固定安装9块VPX 3U板卡和信号交互背板，实现平台加固与散热功能。
实例中的平台利用扩展数据接口板卡高速采集视频数据或其他类型数据并通过信号交互背板将数据传给主处理板卡。主处理板卡可通过与扩展存储板卡之间的交互实现数据的读取与存储，并可将数据处理成适合GPU并行计算的形式并向GPU并行处理板卡下发并行处理任务。GPU并行处理板卡完成并行计算后，利用VPX高速总线将计算结果直接通过扩展数据接口板卡输出，并同时实现与主处理板卡的交互，主处理板卡可按需与扩展存储板卡之间进行交互完成数据的读取与存储。具体流程可见图2。
本发明提供了一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，包括主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡、信号交互背板、9片式VPX 3U加固紧凑型机箱，所述主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡为VPX 3U结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，主处理板卡包括CPU芯片、内存、板载启动盘，主处理板卡与信号交互背板连接，实现SATA、PCIE、以太网接口、USB、RS-232串行接口以及供电信号的传递。
3.根据权利要求2所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，GPU并行处理板卡包括GPU芯片、显存，GPU并行处理板卡与信号交互背板连接，实现PCIE、VGA、HDMI以及供电信号的传递。
4.根据权利要求3所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，扩展存储板卡包括外扩SATA接口及工业级2.5寸固态硬盘，扩展存储板卡与信号交互背板连接，实现SATA接口和供电信号的传递。
5.根据权利要求4所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，扩展数据接口板卡包括外扩的主处理板卡上的2个以太网接口、2个USB接口、2个RS-232接口，以及GPU并行处理板卡上的1个VGA接口和1个HDMI接口，扩展数据接口板卡与信号交互背板连接，实现以太网接口、USB接口、RS-232串行接口、VGA、HDMI和供电信号的传递。
6.根据权利要求5所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，供电板卡与信号交互背板连接，为所有连接在信号交互背板上的板卡提供相应电压的电源，以保证平台的正常工作。
7.根据权利要求6所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，散热板卡与其他板卡之间无信号连接，散热板卡分别安装在主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间，共计4块。
8.根据权利要求7所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，信号交互背板用于实现主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡和供电板卡之间的信号线和供电线的互连。
9.根据权利要求8所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，9片式VPX 3U加固紧凑型机箱用于安装主处理板卡、GPU并行处理板卡、扩展存储板卡、扩展数据接口板卡、供电板卡、散热板卡和信号交互背板，并实现平台加固与散热功能。
10.根据权利要求9所述的一种基于VPX架构的加固型并行信息处理平台，其特征在于，平台处理数据的流程如下：
步骤1，平台利用扩展数据接口板卡采集数据，并通过信号交互背板将数据传给主处理板卡；
步骤2，主处理板卡通过与扩展存储板卡之间的交互实现数据的读取与存储；
步骤3，主处理板卡将数据处理成适合GPU并行计算的形式并向GPU并行处理板卡下发并行处理任务；
步骤4，GPU并行处理板卡完成并行计算后，利用VPX高速总线将计算结果直接通过扩展数据接口板卡输出，并同时实现与主处理板卡的交互。
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