CN108052839A - 拟态任务处理机 - Google Patents

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CN108052839A CN201810072362.XA CN201810072362A CN108052839A CN 108052839 A CN108052839 A CN 108052839A CN 201810072362 A CN201810072362 A CN 201810072362A CN 108052839 A CN108052839 A CN 108052839A
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石海峰
刘江
王炜
汪晓伟
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Abstract

本发明公开了一种拟态任务处理机，涉及电子信息技术领域。所述拟态任务处理机包括：拟态调度器模块、外部接口组和n个异构处理模块，n≥1；n个异构处理模块相互独立；所述拟态调度器模块分别与所述外部接口组和任意一个异构处理模块连接；拟态调度器模块包括FPGA芯片板和集成在FPGA芯片板上的n个相互独立的PCIe硬核控制器；PCIe硬核控制器与异构处理模块一一对应连接。本发明所述拟态任务处理机包括FPGA和多个处理器模块，FPGA作为拟态调度器，调度三个同时运行的异构处理器平台运行，实现降低拟态任务处理机所在通信系统安全风险，保证通信系统安全可靠。

Description

拟态任务处理机
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种拟态任务处理机。
背景技术
按照拟态计算原理构造的计算机称为拟态计算机。经典通用计算机采用“执行结构固定不变、靠软件编程实现计算”。拟态计算机通过基于认知的元结构的拟态变换生成应用目标所需的物理解算结构集合，“依靠动态变结构、软硬件结合实现基于效能的计算”。通用和专用计算机的体系结构是拟态计算机执行机构与应用和环境无关的应用特例，表现为执行结构固定不变。拟态计算机是迄今为止已发明的各种计算机最为一般化的体系结构表达方式。2013年9月，我国成功研制出世界首台结构动态可变的拟态计算机。
但是现有拟态计算机存在以下不足：内、外部攻击者易观察到的硬件执行环境和软件工作状况，然后构建基于网络漏洞或后门的攻击链以攻击拟态任务处理机所在通信系统，导致通信系统的安全风险增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拟态任务处理机，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明所述拟态任务处理机，所述拟态任务处理机包括：拟态调度器模块、外部接口组和n个异构处理模块，n≥1；n个异构处理模块相互独立；所述拟态调度器模块分别与所述外部接口组和任意一个异构处理模块连接；所述拟态调度器模块包括FPGA芯片板和集成在所述FPGA芯片板上的n个相互独立的PCIe硬核控制器；所述PCIe硬核控制器与所述异构处理模块一一对应连接。
优选地，每个异构处理模块包括双存储器，为只读大容量存储器和固态大容量存储器。
优选地，每个异构处理模块均具有SATA接口、USB接口、PCIE接口、千兆网口和视频接口。
优选地，所述拟态调度器模块与任意一个所述异构处理模块通过PCI-E、CAN总线和千兆以太网口连接。
优选地，所述拟态任务处理机的机箱后面板上设置外部接口组，所述外部接口组包括千兆网接口、CAN总线接口和与GPS接收机连接的RS-422接口。
优选地，所述拟态调度器模块包括：FPGA最小子系统单元：为调度策略及接口实现的平台；时钟单元：为各单元提供运行所需时钟；电源单元：为FPGA芯片板提供所需电源；复位/清洗接口单元：负责全局复位，同时还负责拟态任务处理机与拟态调度器模块之间的复位和清洗；PCie接口单元、千兆以太网单元和RS422总线接口单元：均负责拟态调度器模块与每个异构处理器进行通信；千兆以太网对外业务接口单元和CAN对外业务接口单元：均作为拟态调度器模块的对外业务接口；调试配置接口单元：作为拟态处理器的对外调试配置接口。
优选地，所述异构处理模块的数量为3个，分别为：第一异构处理模块为：X86处理模块；第二异构处理模块为：龙芯处理模块；第三异构处理模块为：ARM处理模块。
更优选地，所述龙芯处理模块包括集成在龙芯开发板上的龙芯3A处理器、内存插槽、网络控制器、显示控制器、PCI扩展槽、千兆网口、VGA输出接口、DVI-I接口、音频解码器的音频插口、SATA接口、USB接口、PS2接口、RS232串口和Super IO控制器。
更优选地，所述ARM处理模块采用基于Cotex-A9架构的异构多核Soc处理器，包括主频1.0GHz的四核armv7架构中央处理器CPU、主频500MHz图形加速处理器GPU、支持H.264、MPEG-4格式和1080P@30帧率的视频硬件编解码处理器VPU、基于双DSP核心的图形接口和视频流处理器IPU；
所述ARM处理模块还包括2GB DDR3内存、16MB Nor Flash闪存、4GBeMMC存储器和可扩展60GBminiSATA存储器；
所述ARM处理模块还包括多个通讯接口，所述通讯接口包括USB接口、OTG接口、串行接口、CAN总线接口、百兆以太网接口、PCI-E扩展接口和辅接接口组；所述辅接接口组包括SPI接口、I2C接口和GPIO接口；
所述ARM处理模块还包括LVDS视频接口、VGA模拟视频接口、HDMI高清接口、PAL模拟视频接口和作为受话器、送话器或扬声器的音频输入输出接口；
所述ARM处理模块还包括PMIC电源转换模块和LDO电源转换模块。
更优选地，每个异构处理模块上的视频接口和键盘鼠标接口均与KVM切换器连接，所述KVM切换器上设置连接显示器的VGA接口和连接键盘和鼠标USB接口；每个异构处理模块上均设置一路串口作为调试备用串口。
本发明的有益效果是：
本发明所述拟态任务处理机包括FPGA和多个处理器模块，FPGA作为拟态调度器，调度三个同时运行的异构处理器平台运行。尤其是在地面装备演示环境中，作为核心的拟态任务处理机动态地选择执行多种硬件变体以及相应的软件变体，使得内外部攻击者观察到的硬件执行环境和软件工作状况非常不确定，无法或很难构建基于网络漏洞或后门的攻击链，以达成降低拟态任务处理机所在通信系统安全风险的目的，保证通信系统安全可靠。
附图说明
图1是拟态任务处理机的结构框图；
图2是拟态任务处理机的硬件结构框图；
图3是拟态调度器模块的功能框图；
图4是FPGA的功能框图；
图5是FPGA最小子系统单元输出信号示意图；
图6是时钟单元输出信号示意图；
图7是电源单元输出信号示意图；
图8是异构处理器状态控制单元输出信号示意图；
图9是PCie接口通信单元输出信号示意图；
图10是千兆以太网通信单元输出信号示意图；
图11是RS422总线通信单元输出信号示意图；
图12是千兆以太网业务接口单元输出信号示意图；
图13是Can总线业务单元输出信号示意图；
图14是调试配置接口单元输出信号示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参照图1和图2，本实施例所述拟态任务处理机包括：拟态调度器模块、外部接口组和3个异构处理模块；3个异构处理模块相互独立；所述拟态调度器模块分别与所述外部接口组和任意一个异构处理模块连接；所述拟态调度器模块包括FPGA芯片板和集成在所述FPGA芯片板上的3个相互独立的PCIe硬核控制器；所述PCIe硬核控制器与所述异构处理模块一一对应连接。
(一)拟态调度器模块，以FPGA为核心，完成对异构处理器的判决和调度。
拟态调度器模块作为拟态任务处理机的调度判决的核心，具有接口多样性、策略复杂性、以及系统可扩展性。综合以上特性，选用FPGA芯片来实现调度管理模块。FPGA芯片选用Xilinx XC7VX690T-2，如图4所示，完成调度板功能。FPGA上采用3个完全独立的PCIe硬核控制器(可有效隔离异构系统)。
从拟态处理器系统角度来说，拟态调度器模块详细硬件方案设计如图3所示：
拟态调度器模块和异构处理模块之间采用Pcie、CAN总线和千兆以太网进行互联，拟态处理器对外输出1路千兆网口，一路Rs232串口，一路Can总线用于系统调试和总线接口。从业务数据角度上来说，拟态处理器对外输出2路千兆以太网(1路作为备份)，2路CAN总线(1路作为备份)。
关于拟态调度器模块的划分，参照表1：
参照图5，FPGA最小子系统单元：为调度策略及接口实现的平台；
参照图6，时钟单元：为各单元提供运行所需时钟；
参照图7，电源单元：为FPGA芯片板提供所需电源；
参照图8，复位/清洗接口单元：负责全局复位，同时还负责拟态任务处理机与拟态调度器模块之间的复位和清洗；
参照图9、图10和图11，PCie接口单元、千兆以太网单元和RS422总线接口单元：均负责拟态调度器模块与每个异构处理器进行通信；
参照图12和图13，千兆以太网对外业务接口单元和CAN对外业务接口单元：均作为拟态调度器模块的对外业务接口；
参照图14，调试配置接口单元：作为拟态处理器的对外调试配置接口。
拟态调度器模块在拟态任务处理器中起到调度管理的作用，硬件设计选用FPGA(内嵌MICROBLAZE软核)实现。设计需求如下：
(1)支持3路PCI-e接口与异构处理器CPU通信。每个PCI-e接口配置成1x。
(2)支持6路千兆以太网接口，其中3路与异构处理器连接，2路作为拟态
(3)处理器对外业务接口(1路业务，1路备用)，1路作为调试配置接口。
(4)支持2路CAN总线接口(1路业务，1路备用)作为拟态处理器的对外总线。
(5)支持3路RS422总线接口分别与三个异构处理器相连。
(6)支持一路RS232串口配置管理接口。
(7)预留JTAG接口和Debug UART接口，方便硬核和软核的调试。
(8)支持3路清洗接口，用于与3个异构处理器相连。
(9)支持3路复位接口，用于与3个异构处理器相连。
(10)支持PPS授时接口(RS422总线预留备用)。
(11)支持温度检测接口。
(12)支持外部复位输入接口。
(13)提供一片RTC实时时钟芯片。
(14)提供一片EEPROM，用于备份系统信息。
(15)提供64位DDR3颗粒模组，可作为大容量交换数据的缓存使用。
(16)提供必需的电源、时钟、加载和复位。
功能如表2所示：
表2 拟态调度器模块
针对拟态调度器模块多种高速接口的需求，内部资源的需求、成本功耗的需求，技术储备及研发进度的要求，拟选用Xilinx Virtex-7系列FPGA，型号为XC7VX690T。根据所选FPGA设计外部接口电路。关键器件的选型见下表3：
表3 拟态调度器模块上关键器件表
(三)异构处理模块：包括龙芯、ARM和X86三种异构处理模块，完成系统数据的计算，为保证研制进度和研发重点的时间投入，三种异构处理器选用常规商业级COME模块，自带处理器、存储器及外围接口设计。
更详细的举例说明：三个异构处理模块分别是Intel Atom N2600Dual COME模块、Loongson 3A 780E COME模块、Freescale I.MX6自定义模块，处理模块运行频率分别是1.6GHz、1GHz、533MHz，满足处理性能接近的要求。内置存储器2GB，外置存储器64GB。每个处理模块具备SATA、USB、PCIE、千兆网和视频接口，满足需求。
三个异构处理模块分别由兼输入输出调度功能的基于FPGA芯片的拟态调度器模块调度3个异构处理模块同时运行的异构处理器(Active-Active结构)，每个异构处理器系统包括双存储器(只读大容量存储器和固态大容量存储器)，三个异构处理器之间软硬件各自独立，不协同、不同步。提供运行管理与监视的硬件支持。
3.1 X86处理模块
X86处理模块使用Intel Atom N2600Dual COME模块，为商业级成熟板卡，已有多年市场使用经历。处理器N2600，是第三代英特尔凌动处理器，低功耗双核设计，主频1.6GHz，集成的图形核心GMA3600，热设计功耗仅仅只有3.5W。
3.2 关于ARM处理模块
ARM处理模块是自主研发的IMX6图形视频显示核心模块，采用基于Cotex-A9架构的异构多核Soc处理器，包括主频1.0GHz的四核armv7架构中央处理器CPU，集成了主频500MHz图形加速处理器GPU，具备支持H.264、MPEG-4格式和1080P@30帧率的视频硬件编解码处理器VPU，以及还包括了基于双DSP核心的图形接口和视频流处理器IPU。异构处理器的外围存储器包括2GB DDR3内存，作为处理器共享RAM；16MB Nor Flash闪存作为Uboot引导程序存储器；4GB eMMC存储器，用于存储系统操作系统内核、文件系统(包括中间层软和应用软件)；可扩展60GBminiSATA存储器，用于存储用户应用数据和音视频画面记录。
通信接口方面，将处理器扇出2路USB2.0Host和1路USB2.0OTG，用于输入设备和升级调试；利用RS232/RS422/RS485收发器和CAN收发器扩展4路UART和2路CAN总线控制器，分别扩展为4路串行接口和2路CAN总线接口，通过千兆PHY芯片和变压器模块扩展出1路百兆以太网接口；提供1路PCI-E2.0×1扩展接口，可通过PCI-E桥扩展出其它高速通信接口，比如实时以太网接口；利用SPI、I2C、GPIO作为辅接接口，以支持其它接口芯片的配置和扩展。
音视频接口方面，扩展1路LVDS视频接口，输出到显示屏单元，作为通用终端主显示屏幕；通过VGA编码器将处理器的24bit RGB接口扩展为1路VGA模拟视频接口，以支持辅助显示屏设备；通过HDMIPHY扩展1路HDMI高清接口，用于图形视频显示核心模块调试；利用CSI2接口扩展多路PAL模拟视频接口，用于光学设备视频输入或输出接口；通过AudioCodec音频编解码器扩展处理器ASRS功能，作为受话器、送话器(或扬声器)的音频输入输出接口。
电源方面,通过PMIC和LDO模块将输入DC5V电源转换到处理器和外围电路工作所需的3.3V、2.5V、1.5V和1.3V。
结构方面,图形视频显示核心模块采用100mm×75mm×15mm铝制导冷壳体封装，双高密连接器与安装底板固联。
3.3 关于龙芯处理模块
根据国产化要求选用的国产化处理器平台是LS3A-RS780E开发板，龙芯3A-RS780E开发板(型号LS3A-RS780E)是一款为龙芯3A高性能通用四核处理器量身定制的系统。开发板集成了丰富的通用接口，方便用户搭建基于龙芯3A的硬件快速演示平台；同时可以满足用户在开发板上进行性能评估和软件开发移植的需要。主板系统设计时采用了龙芯3A处理器+AMD RS780E北桥+SB710南桥+RTL8111DL千兆网卡。主板采用标准ATX尺寸。龙芯3A处理器芯片特点：
片内集成四个64位的四发射超标量GS464高性能处理器核；处理器核流水线采用四发射动态超标量，9-10级的超流水线结构，支持寄存器重命名、动态调度、分支预测和其他的乱序执行技术；
每个处理器核包括2个全流水的64位双精度浮点乘加部件；每个处理器核包含64KB数据Cache和64KB的指令Cache；
兼容IEEE754标准的浮点单元，支持全流水的浮点加减、乘法、乘加等运算，支持硬件除法和开平方根运算，浮点单元还支持龙芯多媒体指令；
64项JTLB(Joint TLB)，每个表项以奇/偶页成对组织，记录4KB-4MB页大小的共128个页面，页大小可动态变化。TLB中通过执行保护位防止缓冲区溢出攻击；16项独立的指令TLB，提高指令地址映射的效率；
分离的64KB一级指令Cache和64KB一级数据cache，四路组相联结构，块大小为32字节；片内集成四核共享的4MB二级Cache，通过目录维护多核Cache的一致性；片内集成2个64位400MHz的DDR2/3控制器；片内集成2个16位800MHz的高速HyperTransport控制器；片内集成32位100MHz PCIX/66MHz PCI；集成32位PCI/PCI-X总线控制器，符合PCI-X 1.0b规范，兼容PCI2.3；
800MHz主频，可动态调节频率甚至关闭包括处理器核在内的各模块Core时钟，支持动态功耗管理；
一个LPC、两个UART、1个SPI、16路GPIO接口；支持多芯片互连和跨芯片的全局Cache一致性。采用FC-BGA-1121封装。
关于本实施例中所述龙芯处理模块上集成硬件的要求：
龙芯3A处理器(600MHz-1GHz,800MHz@10W)；
AMD780E+SB710桥片；
四根DDR3 800MHz DIMM插槽，最大支持8GB内存；
板载RTL8111DL 10Mbps/100Mbps/1000Mbps网络控制器，支持远程网络唤醒功能；
集成ATI M72-based显示控制器，支持双屏显示；
板载W83527Super IO控制器ν512KB Flash ROM用于系统BIOS存储；
2个PCI 33bit 33MHz扩展槽；
1个RJ45千兆网口；
1个VGA输出接口，1个DVI-I接口；
板载ALC888S，8声道HDAudio音频解码器6个音频插口，支持7.1+2Channel，
High Definition Audio Codec。
1个Ultra DMA 33/66/100IDE插座；
6个SATA接口，12个USB 2.0接口：前面板八个、后面板四个；
二合一PS2接口；
2个标准RS232串口；
尺寸：305mm x 244mm；
电源：标准ATX电源。
(四)外部接口组：作为拟态任务处理机对外的接口，可完成数据交互、Debug调试和参数配置等功能。
所述拟态任务处理机的机箱后面板上设置外部接口组，所述外部接口组包括一路千兆网接口、两路CAN总线接口和一路备用的与GPS接收机连接的RS-422接口。
本实施例所述拟态任务处理机通过千兆网接口连接网络交换机，所述网络交换机与网络测试计算机和执行机构的计算机连接；所述拟态任务处理机通过RS-422接口与GPS接收机连接；所述拟态任务处理机通过CAN总线接口与显示控制终端连接。
所述外部接口组还包括与异构处理模块预留的连接的调试串口和千兆网接口。
所述外部接口组还包括VGA接口，用于将显示屏连接到拟态任务处理机的主板上。
所述外部接口组还包括用于连接键盘和鼠标的USB接口。
外部接口组详见表4：
表4 外部接口设计
(五)每个异构处理模块上的视频接口和键盘鼠标接口均与KVM切换器连接，所述KVM切换器上设置连接显示器的VGA接口和连接键盘和鼠标USB接口；更具体地为：三个处理器平台的视频和键盘鼠标接口统一连接到KVM切换器上，整机对外用一个KVM切换器，通过切换器上的VGA接口连接显示器，2个USB接口分别连接键盘和鼠标；
每个异构处理模块上均设置一路串口作为调试备用串口。
(六)本实施例所述拟态任务处理机的机箱结构为：长×高：(483±1)mm×(89±1)mm；采用标准的2U机箱设计。厚度(接插件、开关等)：≤400mm；重量(不含电缆)：≤7.0kg；机壳涂敷颜色：GSBG5100-1994漆膜颜色标准样刊的军绿GY04(无光漆)；所有的汉字字体为黑体,字高按5号字体，颜色均为黑色。
本实施例所述拟态任务处理机各平台操作系统配置如下：Arm(imax 6q,四核)对应嵌入式标准linux(内核3.0.35)；x86(intel atom n2600,双核)对应中标麒麟开源64位系统(可用Windows 7)；龙芯(3A780E，四核)对应中标麒麟服务器版。
本申请所述拟态化任务处理机中安装的软件系统特性概述：拟态调度器模块的核心功能由纯硬件实现，操作系统可全异构(3个)，与拟态调度器模块的连接采用相同类型设备，设备驱动程序可直接移植(有效降低设计实现的难度)，可采用基于参数化的配置方式运行软件，基于SOA的核心服务程序，界面与模型、控制逻辑完全分离，采用对应用接口一致、使用友好、隐藏复杂网络结构的分布式数据服务中间件。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明所述拟态任务处理机为全异构体系(及FPGA+异构处理器)，是基于FPGA的调度器模块(兼输入输出调度功能)且内部具备三个完全不同的处理模块和操作系统，三个同时运行的异构处理模块(Active-Active结构)，每个异构处理器系统包括只读大容量存储器和固态大容量存储器的双存储器，三个异构处理模块之间软硬件各自独立、不协同、不同步。本发明所述拟态任务处理机还提供运行管理与监视的硬件支持。基于FPGA的调度器模块采用三个完全独立的PCIe硬核控制器，可有效隔离异构系统，即从硬件层面断绝被攻击的可能性，保证通信系统安全可靠。
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本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种拟态任务处理机，其特征在于，所述拟态任务处理机包括：拟态调度器模块、外部接口组和n个异构处理模块，n≥1；n个异构处理模块相互独立；所述拟态调度器模块分别与所述外部接口组和任意一个异构处理模块连接；
所述拟态调度器模块包括FPGA芯片板和集成在所述FPGA芯片板上的n个相互独立的PCIe硬核控制器；所述PCIe硬核控制器与所述异构处理模块一一对应连接。
2.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，每个异构处理模块包括双存储器，为只读大容量存储器和固态大容量存储器。
3.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，每个异构处理模块均具有SATA接口、USB接口、PCIE接口、千兆网口和视频接口。
4.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，所述拟态调度器模块与任意一个所述异构处理模块通过PCI-E、CAN总线和千兆以太网口连接。
5.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，所述拟态任务处理机的机箱后面板上设置外部接口组，所述外部接口组包括千兆网接口、CAN总线接口和与GPS接收机连接的RS-422接口。
6.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，所述拟态调度器模块包括：
FPGA最小子系统单元：为调度策略及接口实现的平台；
时钟单元：为各单元提供运行所需时钟；
电源单元：为FPGA芯片板提供所需电源；
复位/清洗接口单元：负责全局复位，同时还负责拟态任务处理机与拟态调度器模块之间的复位和清洗；
PCie接口单元、千兆以太网单元和RS422总线接口单元：均负责拟态调度器模块与每个异构处理器进行通信；
千兆以太网对外业务接口单元和CAN对外业务接口单元：均作为拟态调度器模块的对外业务接口；
调试配置接口单元：作为拟态处理器的对外调试配置接口。
7.根据权利要求1所述拟态任务处理机，其特征在于，所述异构处理模块的数量为3个，分别为：第一异构处理模块为：X86处理模块；第二异构处理模块为：龙芯处理模块；第三异构处理模块为：ARM处理模块。
8.根据权利要求7所述拟态任务处理机，其特征在于，所述龙芯处理模块包括集成在龙芯开发板上的龙芯3A处理器、内存插槽、网络控制器、显示控制器、PCI扩展槽、千兆网口、VGA输出接口、DVI-I接口、音频解码器的音频插口、SATA接口、USB接口、PS2接口、RS232串口和Super IO控制器。
9.根据权利要求7所述拟态任务处理机，其特征在于，所述ARM处理模块采用基于Cotex-A9架构的异构多核Soc处理器，包括主频1.0GHz的四核armv7架构中央处理器CPU、主频500MHz图形加速处理器GPU、支持H.264、MPEG-4格式和1080P@30帧率的视频硬件编解码处理器VPU、基于双DSP核心的图形接口和视频流处理器IPU；
所述ARM处理模块还包括2GB DDR3内存、16MB Nor Flash闪存、4GB eMMC存储器和可扩展60GBminiSATA存储器；
所述ARM处理模块还包括多个通讯接口，所述通讯接口包括USB接口、OTG接口、串行接口、CAN总线接口、百兆以太网接口、PCI-E扩展接口和辅接接口组；所述辅接接口组包括SPI接口、I2C接口和GPIO接口；
所述ARM处理模块还包括LVDS视频接口、VGA模拟视频接口、HDMI高清接口、PAL模拟视频接口和作为受话器、送话器或扬声器的音频输入输出接口；
所述ARM处理模块还包括PMIC电源转换模块和LDO电源转换模块。
10.根据权利要求7所述拟态任务处理机，其特征在于，
每个异构处理模块上的视频接口和键盘鼠标接口均与KVM切换器连接，所述KVM切换器上设置连接显示器的VGA接口和连接键盘和鼠标USB接口；
每个异构处理模块上均设置一路串口作为调试备用串口。
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