CN201285527Y - 一种基于fpga的网络计算机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及嵌入式计算机领域，为了解决现有技术中计算机的功耗较高，硬件浪费多，并且不方便扩展处理器功能的不足，提出了一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于该FPGA芯片内部包括使用软件模拟的交换总线及总线控制器，还包括使用软件模拟的输入输出模块、显示绘图阵列模块、以太网模块、数字音频模块或存储控制器中的两种或者多种，该交换总线用于传送所述FPGA芯片中各个功能模块的数据，所述总线控制器与所述交换总线相连接，用于控制所述交换总线传送数据。本实用新型的有益效果在于，降低嵌入式计算机的系统复杂度，降低功耗，并且使网络计算机有很好的扩展能力。

Description

一种基于FPGA的网络计算机

技术领域

本实用新型涉及嵌入式电子芯片领域，具体的讲是一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的网络计算机。

背景技术

随着社会科技的发展，计算机应用于越来越多的场景，但是针对于不同工作的需求，也许只是用了现代高性能计算机的一部分计算能力，从而造成了成本和生产上的浪费，如图1所示为现有技术中计算机系统的结构示意图。

现有技术中出现了功能简化的计算机系统，即网络计算机，针对于各种不同的应用，目前网络计算机的技术总体可以分为以下两类：

一类是传统的以x86为基础的精减PC的技术。另外一类是采用专用芯片的嵌入式系统技术。

采用以x86为基础的精减PC技术是在PC机的技术基础上，采用小型本地闪存替代硬盘，减少本地内存配置，并采用精减指令集的CPU，并且采用精减版操作系统的一种专用商业PC机。采用这种架构技术的网络计算机，由于PC系统所必须的硬件模块并没有减少，只是在功能模块的配置上进行了一些精减，因此，其复杂程度并没有降低。在制造成本上不会比传统的PC机降低多少。另外，因为这种架构的网络计算机必须采用某些固定的芯片组，因此，在功率消耗上，也不会有很大程度的改进。

采用专用芯片的嵌入式系统技术是目前在网络计算机产品中被广泛采用的另一种架构技术。传统的嵌入式系统技术一般都采用固定的芯片或芯片组，如基于微处理器(ARM：Advanced reduced instruction set computerMachines)的嵌入式系统以及采用PowerPC架构的嵌入式系统等等。这种采用固定芯片组的技术虽然相比较于x86技术而言，在成本和技术复杂程度上有了一定的降低，但是在扩展性上，比如说如果需要在一个固定的架构上添加一些硬件或是软件的功能模块，采用专用芯片的这种架构就无能为力了，并且采用了ARM或者PowerPC的嵌入式系统依然功耗较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的网络计算机，为了解决现有技术中普通计算机系统功耗过高，硬件容易造成浪费，并且成本过高的不足。

为了解决上述现有问题，本实用新型实施例提供了一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于该FPGA芯片内部包括交换总线及总线控制器，还包括USB处理模块、显示绘图阵列模块、以太网模块、数字音频模块或存储控制器中的两种或者多种，该交换总线用于传送所述FPGA芯片中各个功能模块的数据，所述总线控制器与所述交换总线相连接，用于控制所述交换总线传送数据。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，还包括power PC芯片，与所述FPGA芯片相连接，该power PC芯片内部包括多个硬件芯片组，分别用于实现所述网络计算机的FPGA芯片没有实现的功能，例如在FPGA芯片中没有具有以太网模块，则通过所述power PC芯片的以太网芯片组实现以太网的连接。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，所述FPGA芯片内部还包括用软件模拟的处理器内核，与所述交换总线相连接，用于向所述FPGA芯片内的其他功能模块发送控制逻辑。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，所述FPGA芯片内部还包括用软件模拟的Ps/2模块，用于处理采用Ps/2接口的外部设备的数据。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，该网络计算机还包括以下接口与所述FPGA芯片的各个软件模拟的模块相对应：

USB接口，该USB接口与所述FPGA芯片的相应管脚相连接，用于与所述FPGA进行数据通信，所述FPGA芯片的USB处理模块处理所述USB接口的数据；

显示绘图阵列接口，该显示绘图阵列接口与所述FPGA芯片的相应管脚相连接，用于将所述FPGA芯片的显示绘图阵列模块处理的数据输出到所述网络计算机外部的显示装置；

以太网接口，该以太网接口与所述FPGA芯片的相应管脚相连接，用于传送所述FPGA芯片的以太网模块处理的数据；

数字音频接口，该数字音频接口与所述FPGA芯片的相应管脚相连接，用于传送所述FPGA芯片的数字音频模块处理的数据；

存储控制器接口，该存储控制器接口与所述FPGA芯片的相应管脚相连接，用于所述FPGA芯片与存储器进行数据传输。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，所述FPGA芯片内部还包括联合测试接口模块，与所述交换总线相连接，用于对所述FPGA芯片内的各器件进行测试。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，所述FPGA芯片内部还包括片内用户逻辑模块，与所述交换总线相连接，用于启动所述FPGA芯片。

根据本实用新型实施例所述的一种基于FPGA的网络计算机的一个进一步的方面，所述FPGA芯片内部还包括定时器，与所述交换总线相连接，用于向所述FPGA芯片内部的其他功能模块提供时钟数据。

本实用新型方法实施例的有益效果在于，采用一个FPGA实现多种计算机的功能模块，由于没有采用相应的多个硬件模块，只是对FPGA进行软件上的编成实现了多种功能，所以本实用新型的网络计算机制造成本低；并且因此也能够实现产品节能环保，由于当计算机升级时，没有采用多个硬件模块而使得硬件浪费减少，不会造成更多的环境污染，并且本实用新型实施例的FGPA实现多种计算机的功能模块，耗电量低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1所示为现有技术中计算机系统的结构示意图；

图2所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第一实施例的功能模块示

意图；

图3所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第一实施例的电路图；

图4所示为本实用新型实施例Ps/2鼠标接口的示意图；

图5所示为VGA接口的示意图；

图6所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第二实施例的功能模块示

意图；

图7所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第二实施例的电路图；

图8所示为本实用新型实施例网络接口的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

本实用新型实施例提供一种基于FPGA的网络计算机。以下结合附图对本实用新型进行详细说明。

如图2所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第一实施例的功能模块示意图，包括FPGA芯片100，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的处理器内核101，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的存储控制器102，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的交换总线控制器103，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的交换总线104，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的异步串行收发器105，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的定时器106，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的显示绘图阵列(VGA：Video Graphics Array)模块107，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的USB处理模块108，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的以太网模块109(ETHPHY)，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的同步串行接口模块(SPI)110，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的片内用户逻辑111，利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的数字音频模块112，联合测试(JTAG：Joint Test Action Group)接口模块113。利用该FPGA芯片内部逻辑电路实现的Ps/2处理模块114。

上述通过FPGA芯片内部逻辑电路实现各种功能是指，根据现有的硬件功能模块对数据的处理的方法，使用所述FPGA芯片的编辑工具，让FPGA芯片模拟所述硬件的功能，例如可以使用硬件描述语言(HDL)对所述FPGA芯片进行FPGA芯片内部逻辑电路的搭建，使该FPGA芯片实现硬件VGA设备的视频数据处理功能。

所述处理器内核101、存储控制器102、总线控制器103、异步串行收发器105、定时器106、VGA模块107、USB处理模块108、以太网模块109、同步串行接口模块110、片内用户逻辑111、数字音频模块112、JTAG接口模块113和Ps/2处理模块114分别与所述FPGA内部交换总线104相连接。

所述处理器内核101用于实现软CPU的功能，处理外部输入的数据并控制所述FPGA上的其它功能模块。该处理器内核101可以使用现有技术中的软核CPU实现。

所述存储控制器102用于对外部同步动态随机存取存储器(SDRAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory)，外部只读内存(ROM：Read-Only Memory)，外部Flash进行数据传输控制。

所述总线控制器103用于控制总线上数据的传输。该总线控制器可以使用HDL语言在FPGA芯片上模拟通常计算机的总线控制器的控制功能。

所述FPGA内部交换总线104用于向所述FPGA内部各个功能模块提供总线通道。所有功能模块通过NPI接口方式与所述FPGA内部交换总线104相连接。

所述异步串行收发器105用于管理所述FPGA进行调试时的数据USB。

所述定时器106用于向其它功能模块提供时钟。

所述VGA模块107用于处理视频数据，并通过VGA接口与外部的显示器或者视频采集装置进行数据通信。

所述USB处理模块108用于处理用户USB设备的数据。

所述以太网模块109用于接收与发送网络接口传输的数据，对所述传输数据进行调制与解调，实现网卡的功能，所述网络接口例如为RJ45接口。

所述同步串行接口模块110用于管理所述FPGA进行调试时的数据USB。

所述片内用户逻辑111用于引导所述FPGA芯片启动。

所述数字音频模块112用于处理音频数据，并通过音频接口与外部的扬声器或者音频采集装置进行数据通信。

所述JTAG接口模块113用于连接外部的JTAG调试器，利用该JTAG调试器对所述FPGA芯片内各个器件的测试。这里所述的器件不同于上述功能模块，指FPGA芯片内的物理器件。

所述Ps/2处理模块114，用于控制Ps/2接口外设的输入与输出，例如Ps/2接口的鼠标与键盘。

如图3所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第一实施例的电路图。

包括如图2所示的FPGA芯片200，其内部使用软件实现了多种功能模块，包括对于存储器的控制器，异步串行收发器，VGA模块，USB处理模块，以太网模块，同步串行接口模块，数字音频模块，JTAG接口模块和Ps/2处理模块；在该FPGA芯片外部还具有USB和Ps/2接口201(其中包括了USB接口管脚和Ps/2接口的管脚)，数字音频接口202，以太网接口203，JTAG接口204，与非闪存接口(NAND Flash)205，SDRAM接口206，VGA接口207，SPI接口208，UART接口209。

所述USB和Ps/2接口201，数字音频接口202，以太网接口203，JTAG接口204，与非闪存接口(NAND Flash)205，SDRAM接口206，VGA接口207，SPI接口208，UART接口209均与所述FPGA芯片200上的相应管脚相连接。

所述USB和Ps/2接口201通过相应管脚与所述FPGA芯片200的USB模块的管脚(USB_1_n管脚、USB_1_p管脚)和Ps/2模块引出的管脚(KB_d管脚和MS_CK管脚)相连接，通过该USB和Ps/2接口201接入外部鼠标、键盘等Ps/2或者USB接口的设备。其中，所述KB_d管脚代表Ps/2接口键盘的一组管脚数据(KB_d)和时钟(KB_CK)管脚，所述MS_CK管脚代表Ps/2接口鼠标的一组管脚数据(MS_d)和时钟(MS_CK)管脚。

所述数字音频接口202通过相应管脚与所述FPGA芯片200的数字音频模块引出的管脚相连接，通过该数字音频接口202进行音频的输入与输出。

所述以太网接口203通过相应管脚与所述FPGA芯片200的以太网模块引出的管脚相连接，通过该以太网接口203与网络接口相连接，进行网络数据的通信，所述网络接口例如可以为RJ45接口。

所述JTAG接口204通过相应管脚与所述FPGA芯片200的JTAG接口模块相连接，通过该JTAG接口204接入JTAG调试器，以实现对所述FPGA芯片中的各个器件，例如晶体管、与非门等器件进行测试。

所述NAND Flash接口205与SDRAM接口206的相应管脚与所述FPGA芯片200的存储控制器相连接，通过该NAND Flash接口205与SDRAM接口206与外部的例如Flash、SDRAM等存储装置传输数据。通过所述NAND Flash接口205获取外部Flash中的操作系统和预装软件，通过SDRAM接口206使得该FPGA芯片能够利用外部的SDRAM存储器，提供运行软件的内存空间。

所述VGA接口207通过相应管脚与所述FPGA芯片200的VGA模块相连接，通过VGA接口207进行视频数据的输入与输出。

所述SPI接口208通过相应管脚与所述FPGA芯片200的同步串行接口模块相连接，通过该SPI接口208使得所述FPGA芯片200的同步串行接口模块与外部的同步串行数据进行通信。

所述UART接口209通过相应管脚与所述FPGA芯片200的异步串行收发器相连接，通过该UART接口209使得所述FPGA芯片200的异步串行收发器与外部的异步串行数据进行通信。

作为优选的实施例，表1对所述FPGA芯片部分功能模块的接口管脚进行定义。

表1

如图4所示为本实用新型实施例Ps/2鼠标接口的示意图，其中Ps/2接口的管脚1与第一实施例的FPGA芯片Ps/2模块的MS_D管脚连接，用于传送数据；Ps/2接口的管脚3与地线连接；Ps/2接口的管脚4与电源VCC连接；Ps/2接口的管脚5与FPGA的MS_CK管脚连接，用于传送时钟信息。

如图5所示为VGA接口的示意图，其中VGA接口的管脚1、2、3分别与FPGA芯片的VGA red、VGA green、VGA blue管脚相连接，用于传送显示所用的红、绿、蓝色彩数据；VGA接口的管脚13、14分别与FPGA芯片VGA模块的水平同步信号(VGA_HSVNC)、垂直同步信号(VGA_VSVNC)管脚连接，用于传送水平同步和垂直同步信号。

通过以上实施例，使用一片FPGA芯片模拟多种硬件功能，通过该FPGA芯片与外部接口的连接，使得该FPGA实现网络计算机的功能，并且由于所有功能使用软件在FPGA芯片内部实现所以在硬件上成本很低。

如图6所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第二实施例的功能模块示意图，包括power PC(Performance Optimized With Enhanced RISC)芯片300，FPGA芯片301，NAND接口302，SD读卡器接口303，USB接口304，以太网接口305，UART接口306，第一JTAG接口307，数字音频接口308，Ps/2接口309，VGA接口310，显存(VID SD)接口311，第二JTAG接口312，网络接口313。

所述NAND接口302，SD读卡器接口303，USB接口304，UART接口306，第一JTAG接口307，以太网接口305分别与所述power PC芯片300相连接，所述网络接口313与所述以太网接口305相连接，在所述power PC芯片300内部具有相应的硬件芯片组支持各接口的数据控制与处理；所述FPGA芯片301与所述power PC芯片300相连接，接受所述power PC芯片300的控制；所述Ps/2接口309，数字音频接口308，VGA接口310，显存(VID SD)接口311，第二JTAG接口312分别与所述FPGA芯片301相连接，在所述FPGA芯片301内部具有相应的软件功能模块支持所述各外部接口的数据控制与处理。

由于power PC芯片300内部具有支持各功能模块的芯片组，所以处理速度比较快，但是缺点是成本比较高，而且由于内部的芯片组是由硬件构成，所以power PC芯片300所能够完成的功能受到局限，其通过控制FPGA芯片301，则可以通过对FPGA芯片301进行各种不同功能的实现，例如本例中所述power PC芯片300不具有VGA视频处理能力，音频数据处理能力和Ps/2的串行数据处理能力，但是通过FPGA芯片301内部的软件功能模块实现了上述功能，power PC芯片300通过控制和调用该FPGA芯片301实现了上述功能，因此本实施例中的power PC芯片300和FPGA芯片301构成的网络计算机可以以较快的速度和较低的成本实现普通计算机的基本功能。

如图7所示为本实用新型基于FPGA的网络计算机第二实施例的电路图。

本实施例针对于现有技术中的power PC芯片与外设接口的连接不做详细描述，FPGA芯片与外设接口的描述可以参考本实用新型第一实施例，在本例中只对power PC芯片与FPGA芯片之间的接口电路进行描述，两者之间的接口管脚定义如表2所示。

表2

如图8所示为本实用新型实施例网络接口的示意图，其中网络接口313的管脚1、2、3、6分别与以太网接口305的差分发送信号正MDI_TP管脚、差分发送信号负MDI_TN管脚、差分接收信号正MDI_R管脚、差分接收信号负PMDI_RN管脚相连接，LED1和LED2分别与以太网接口305的LED1和LED2管脚相连接。

本实用新型有益效果在于，采用一个FPGA实现多种计算机的功能模块，由于没有采用相应的多个硬件模块，只是对FPGA进行软件上的编成实现了多种功能，所以本实用新型的网络计算机制造成本低；并且因此也能够实现产品节能环保，由于当计算机升级时，没有采用多个硬件模块而使得硬件浪费减少，不会造成更多的环境污染，并且本实用新型实施例的FGPA实现多种计算机的功能模块，耗电量低，相当于普通PC的1/40(耗电量5瓦，最高不超过6瓦，普通PC耗电量200瓦)；间接节省空调开支80％以上，外形小巧、重量不到200克，节约占地空间和运输成本；采用无风扇设计，运行无噪音；产品符合RoHS(Restriction of Hazardous Substances)毒害物质限制使用的绿色标准，不产生任何有害废弃物；运维管理简单：耗电量低，可以避免由产生热能过多，部件老化加速，所以故障率低；灵活可随时实现在固定架构上添加硬件和软件的功能模块。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于该FPGA芯片内部包括交换总线及总线控制器，还包括USB处理模块、显示绘图阵列模块、以太网模块、数字音频模块或存储控制器中的两种或者多种，该交换总线用于传送所述FPGA芯片中各个功能模块的数据，所述总线控制器与所述交换总线相连接，用于控制所述交换总线传送数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，还包括power PC芯片，与所述FPGA芯片相连接，该power PC芯片内部包括复数个硬件芯片组。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，所述FPGA芯片内部还包括处理器内核，与所述交换总线相连接，用于向所述FPGA芯片内的其他功能模块发送控制逻辑。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，所述FPGA芯片内部还包括Ps/2处理模块，用于处理采用Ps/2接口的外部设备的数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，该网络计算机还包括以下接口与所述FPGA芯片的各个模块相对应：

USB接口，该USB接口与所述FPGA芯片的USB处理模块的相应管脚相连接，用于与所述FPGA进行数据通信，所述FPGA芯片的USB处理模块处理所述USB接口的数据；

显示绘图阵列接口，该显示绘图阵列接口与所述FPGA芯片的显示绘图阵列模块的相应管脚相连接，用于将所述FPGA芯片的显示绘图阵列模块处理的数据输出到所述网络计算机外部的显示装置；

以太网接口，该以太网接口与所述FPGA芯片的以太网模块的相应管脚相连接，用于传送所述FPGA芯片的以太网模块处理的数据；

数字音频接口，该数字音频接口与所述FPGA芯片的数字音频模块的相应管脚相连接，用于传送所述FPGA芯片的数字音频模块处理的数据；

存储控制器接口，该存储控制器接口与所述FPGA芯片的存储控制器的相应管脚相连接，用于所述FPGA芯片与存储器进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，所述FPGA芯片内部还包括联合测试接口模块，与所述交换总线相连接，用于对所述FPGA芯片内的各器件进行测试。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，所述FPGA芯片内部还包括片内用户逻辑模块，与所述交换总线相连接，用于启动所述FPGA芯片。

8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的网络计算机，其特征在于，所述FPGA芯片内部还包括定时器，与所述交换总线相连接，用于向所述FPGA芯片内部的其他功能模块提供时钟数据。

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