CN207704345U - 一种硬件平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种硬件平台，包括机箱及机箱内的背板、多个功能模块和至少一块面板，背板为使用无源器件的印制板，并采用CPCI总线接口设计；功能模块包括主控模块、业务/功能扩展模块、串口扩展模块、显控模块和电源模块；机箱内所有数据线均通过印制板直接连接；各功能模块通过连接器或转接板与背板连接；面板通过相应的接插件与背板连接，并配置有与各功能模块对应的多个对外接口。该硬件平台主要基于国产化处理器和国产化操作系统进行设计，以进一步提升国产化平台的运行速度、图像显示、常用软件开发平台适配等性能，具有功能扩展性强，性能稳定，方便维护等优点。

Description

一种硬件平台

技术领域

本实用新型属于计算机应用技术领域，具体涉及一种硬件平台。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展和计算机应用领域的拓展，对于计算机的安全性、自主可控提出了越来越高的要求。目前，关键领域的计算机大多基于国外 CPU芯片实现，在安全性方面存在较大的隐患，发展基于国产处理器且具有自主可控能力的硬件平台成为发展的必然趋势。

目前，在国家科技重大专项和国家级集成电路产业投资资金的推动之下，我国国产计算机相关技术研发已进入高速发展阶段，国产处理器芯片、国产操作系统、国产数据库、国产BIOS等技术不断发展和趋于成熟稳定，基于国产部件自主可控硬件平台已经具备研制条件。

实用新型内容

本实用新型提供一种硬件平台，采用“背板+功能模块+面板”的模块化设计，背板采用标准CPCI接口，在实际应用中，只要满足设备中CPCI管脚定义的主控平台均可根据组织应用方式的要求进行替换，有效提升了硬件平台实用性和可扩展性。

具体技术方案如下：

一种硬件平台，其特征在于，包括机箱及机箱内的背板、多个功能模块和至少一块面板，背板为使用无源器件的印制板，并采用CPCI总线接口设计；功能模块包括主控模块、业务/功能扩展模块、串口扩展模块、显控模块和电源模块；其中，主控模块，业务/功能扩展模块和串口扩展模块采用外型统一且具有标准CPCI接口的模块化设计，并采用可拆卸的插卡方式安装在机箱内的导轨槽内并固定在背板上；显控模块采用可拆卸的插卡方式安装在机箱前侧，用于提供人机交互显示及操作；机箱内所有数据线均通过印制板直接连接；主控模块、业务/功能扩展模块、串口扩展模块和电源模块通过CPCI标准定义的连接器将其所具有的对外接口对应的总线引脚与背板连接；显控模块通过自定义连接器将其所具有的对外接口对应的总线引脚与转接板连接，再通过转接板与背板连接；面板通过相应的接插件与背板连接，并配置有与各功能模块对应的多个对外接口。

作为一种优选方案，各功能模块配置有通过CPCI标准定义的J1～J5连接器，各连接器按照自定义的管脚功能将功能模块的对外接口对应的总线引脚与背板连接。CPCI接口的J1～J5连接器是标准的，自定义是指对连接器管脚进行功能定义。CPCI标准里面有一些连接器管脚做了规定，例如J1作为通用连接器，包括供电、状态等，J2～J5连接器管脚设计师可依据具体需求自定义，例如RS232 串口通信。

作为一种优选方案，所述面板包括后面板、侧面板和前面板，通过96芯或 48芯的接插件与背板或转接板连接。

作为一种优选方案，后面板提供硬件平台的对外信息交互接口连接，前面板提供电源开关、运行指示灯的显示、以及一个USB的对外信息交互接口连接；侧面板提供硬件平台内部接口连接。

作为一种优选方案，主控模块包括处理器、北桥芯片和南桥芯片，主处理器采用国产龙芯处理器，支持SPI/LPC BIOS和PMON3.3，运行国产操作系统，提供软件支撑环境承载。

作为一种优选方案，串口扩展通过主控模块支持的CPCI总线扩展8个独立配置的异步串行接口，供业务/功能模块和后面板引出用；8个异步串行接口均为全信号UART接口，前出串口信号配置有RS232/RS422/RS485标准信号接口，后出串口信号为TTL电气接口，并通过8位拨码开关S400、S401、S200 切换串口输出电平类型及控制串口是否有效工作。

作为一种优选方案，显控模块用于提供人机交互显示及操作，其配置有显示屏、键盘和触摸板，并采用显示器和键盘、触摸板设备一体化的折叠结构设计。

作为一种优选方案，业务/功能扩展模块包括业务扩展模块和/或功能扩展模块，依据功能需求进行配置，利用CPCI接口定义串口RS232通信，并满足+5V 供电要求。

作为一种优选方案，所述电源模块与主控模块高度一致；其采用标准欧式接口，支持交流220V输入，输入电压范围为90～264V宽电压，并提供12V、5V、3.3V和-12V四路直流输出。

作为一种优选方案，电源模块具有输入欠压、过压保护、过温自动保护及短路保护功能。

作为一种优选方案，所述硬件平台采用19英寸的标准系列尺寸，高度为7U，各功能模块采用高度为6U的主板，电源模块采用6U标准欧式接口，显控模块配置的显示屏为17英寸。

有益效果：

本实用新型的背板采用标准CPCI接口，在实际应用中，只要满足设备中 CPCI管脚定义的主控平台均可根据组织应用方式的要求进行替换，有效提升了硬件平台实用性和可扩展性。各功能模块采用外型统一的模块化设计，并采用可拆卸的插卡方式安装在机箱内的导轨槽内并固定在背板，可扩展性强，且便于维修与检测。

该硬件平台主要基于国产化处理器和国产化操作系统进行设计，以进一步提升国产化平台的运行速度、图像显示、常用软件开发平台适配等性能，具有功能扩展性强，性能稳定，方便维护等优点。

附图说明

图1为实施例中龙芯处理器硬件平台原理框图；

图2为实施例中主控模块硬件设计框图；

图3为实施例中串口扩展模块硬件设计框图；

图4为实施例中电源模块硬件设计框图；

图5为实施例中显控模块框图；

图6为实施例中龙芯处理器硬件平台内部模块组装示意图；

图7为实施例中插卡结构示意图；

图8为实施例中背板示意图；

图9为实施例中后面板示意图；

图10为实施例中前面板示意图；

图11为实施例中侧面板示意图；

图12为实施例中转接板示意图；

图13为实施例中龙芯处理器硬件平台的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例中对本实用新型的技术方案作进一步说明。

实施例中公开一种基于国产龙芯处理器的硬件平台，其采用“背板+功能模块+面板”的模块化设计。背板为使用无源器件的印制板，主要作为硬件接口连接，以减少内部电缆，增强系统稳定性与易维护性；功能模块具有多块，根据功能划分为主控模块，业务/功能扩展模块、串口扩展模块、显控模块和电源模块等。

如图1所示，实施例中，该硬件平台中的功能模块主要包括A1主控模块， A2扩展业务模块、A3扩展功能模块、A4串口扩展模块、A5显控模块，为各模块供电的A6电源模块。其中：主控模块采用一款基于国产龙芯处理器的6U CPCI主板，集成了丰富的接口，方便用户搭建基于龙芯处理器的CPCI计算机系统。扩展业务模块具备提供标准CPCI接口的业务模块扩展能力，可依据业务需求进行配置。扩展功能模块具备提供标准CPCI接口的功能模块扩展能力，可依据功能需求进行配置。串口扩展模块是一款基于CPCI总线的串行通信工业级板卡，具备多个串口接口能力，符合RS232、RS422、RS485工业标准，电气上完全隔离，信号引出位于连接器J2，单通道串口可独立配置。显控模块主要用于实现模块状态、工作状态的实时显示以及本地报文的输入，提供人机交互显示及操作。电源模块连接220V交流市电，提供12V、5V、3.3V和 -12V的四路直流输出，为全系统供电。

如图2所示，A1主控模块是一款基于龙芯3A高性能通用四核处理的6U CPCI主板。主板设计采用了龙芯3A处理器(主芯片)+AMD RS780E北桥 +SB710南桥的方式，CPCI-6001-RA主板的软件系统形式为PMON+ Linux。

主芯片采用基于龙芯国产高性能通用四核处理器3A2000，其以龙芯 3A2000四核框架结构为基础，处理器核升级为新一代GS464E架构，内存控制升级为高性能激进调度控制器，IO总线升级至HT3.0，内部互连网络则进行了大量的性能优化。龙芯3A2000处理器核心采用自主设计高性能GS464E微结构，微结构综合技术水平达到了与Intel的IvyBridgy及AMD的Steamroller相当的水平。龙芯3A2000支持自主龙芯指令系统LoongISA，在MIPS64架构500多条指令的基础上，在基础指令、虚拟机指令、面向X86和ARM的二进制翻译指令、向量指令四个方面增加了近1400条新指令。龙芯3A2000/3B2000 芯片在对龙芯3A1000引脚兼容的基础上，大幅提升了系统性能。实测综合计算性能提升1-2倍，实测访存性能提升10-20倍，实测IO性能提升3～5倍。同时还对虚拟机和二进制翻译进行了针对性优化支持。

北桥采用AMD的RS780E芯片，其通过四路PCIeX1扩展四路千兆网接口，可配置两路前出，两路后出，也可以同时配置四路后出网口。通过XMC接口连接独立显卡，可提供VGA和DVI独立显示接口；此外，还可在北桥芯片中引出VGA，可以通过配置切换前出或后出，并提供两路后出DVI接口。

南桥采用AMD的SB710芯片，可支持两路SATA接口，六路USB2.0接口，八个GPIO接口，四路串行接口，并提供看门狗板载RTC以及支持IPMC 温度电压监控。

主控模块还提供16GB/8GB双通道DDR3内存颗粒，支持SPI/LPC BIOS，支持PMON3.3，可运行国产的中标麒麟4.0/5.0操作系统，提供软件支撑环境承载。

主控模块的对外接口设计如表1所示：

表1主控模块对外接口

A2扩展业务模块其具备提供标准CPCI接口的业务模块扩展能力，可依据业务需求进行配置。A2业务扩展模块在电性能设计需要满足背板的标准CPCI 接口定义，利用CPCI接口定义串口RS232通信及满足+5V供电要求，在结构设计上需要满足硬件平台高度要求，外形尺寸：宽×高×深≤20mm×150mm×180mm。例如：可扩展短波数传业务模块，实现对现有短波电台的收发控制。

A3扩展功能模块其具备提供标准CPCI接口的功能模块扩展能力，可依据功能需求进行配置。A3功能扩展模块需要在电性能设计需要满足背板的标准CPCI 接口定义，利用CPCI接口定义串口RS232通信及满足+5V供电要求，在结构设计上需要满足硬件平台高度要求，外形尺寸：宽×高×深≤20mm×150mm×180mm。例如：可扩展低速授时定位功能模块，通过接口其他同步设备时码信息实现硬件平台的时间同步功能。注：本模块与A2业务扩展模块类似，可考虑保留其一。

A4串口扩展模块的接口采用CPCI标准设计，高度6U，具有多个串口接口能力。串口扩展模块通过A1主控模块支持的CPCI总线扩展8个独立配置的异步串行接口，供业务/功能扩展模块和后面板引出用，以实现业务模块与主控平台串口通信。如图3所示，连接器J1和J2均遵循CPCI标准设计，连接器J2 在功能上为自定义通信接口信号。8个串口的信号通过37芯的D型连接器引出，同时8个串口信号从连接器J2并行后出，8路串口均为全信号UART接口，前出串口信号可以配置RS232/RS422/RS485标准信号接口，后出串口信号为TTL 电气接口。8位拨码开关S400、S401、S200用于切换串口输出电平类型及控制串口是否有效工作。串口扩展模块的主要对外接口设计如表2所示：

表2串口扩展模块对外接口

A5电源模块采用6U标准欧式接口，该接口相对于传统电源接口，可靠性更高，并具有输入欠压、过压保护、过温自动保护及短路保护等功能。A5电源模块的工作温度-25～55℃，输入电压90～264V宽电压，根据各模块的用电需求拥有多种四路直流输出。如图4所示，优选的，电源模块输入电压为外部交流220V，输出包括12V、5V、3.3V、-12V四路直流电压，以供内部各模块使用。电源模块的对外接口设计如表3所示：

表3电源模块对外接口

A6显控模块主要实现模块状态、工作状态的实时显示以及本地报文输入等功能。其带有DVI和VGA接口的高性能视频主板，同时提供键盘接口，便于系统使用。另外，还具有自动电源开关，当键盘托盘放下使用时自动开启电源，合上时自动关闭。如图5所示，A6显控模块主要包括17寸液晶屏、液晶屏驱动、专用键盘、键盘解码板、触摸板和接口板，其中，液晶屏作为该平台的输出端，其输入端通过LVDS接口和输入端连接接口板的液晶屏驱动的输出端连接，通过接口板引入DVI/LVDS/VGA等信号输入；键盘和键盘解码作为该平台的用户输入端，板键盘通过键盘排线连接键盘解码板，触摸板通过USB接口连接键盘解码板，键盘解码板通过USB接口连接接口板，以作为用户输入端；A6显控模块通过接口板连接A5电源模块的12V直流电源输出。实施例中，显示面板是一个彩色有源矩阵显示器，由显示面板、显示驱动电路、背光照明等部分组合而成。信号输入接口兼容LVDS接口信号，模组的设计原则符合PSWG标准。视频主板是一款具有高性能高稳定性的解码板，具有更宽的操作温度，更长的使用寿命，提供VGA、 DVI信号输入，可以驱动单、双通道LVDS接口的显示屏，视频主板的最大分辨率为1920X1080。显控模块的对外接口主要如表4所示：

表4显控模块对外接口

序号	接口类型	功能	连接模块/面板
				1	DVI-D	LCD视频信号接口	主控模块
2	USB	键盘和触摸板接口	主控模块

如图6所示，在结构设计上，本实用新型考虑到互换性，将来的功能扩展以及后期的生产和维修，硬件平台中的各功能模块采用模块化设计，除显控模块外，均采用外型统一的可拆卸的插卡式结构设计原则以及独特的导轨槽设计，以避免误差。结合图7所示，采用现有的插卡式结构设计，将各功能模块通过插卡方式安装在与其匹配的导轨槽内，并固定在背板上。各模块的对外接口在背后引出，连接在背板上，并通过背板及相应面板输出，机箱内所有的数据线均采用印制板直接连接方式连接。为提高抗振能力，在各模块的以四个角安装螺钉以进一步固定。

如图8所示，背板属于印制板，采用CPCI总线接口设计，J1～J5接口均按照CPCI标准走线，各连接器的管脚功能按照各模块的功能进行自定义功能对应连接。各模块由于采用可拆卸方式结构设计，所以需要通过支持总线连接的背板来连接和固定。

面板主要包括后面板、前面板和侧面板。其中：后面板主要是解决硬件平台的对外信息交互接口连接；前面板主要实现电源开关、运行指示灯的显示、以及一个USB的对外信息交互接口；侧面板主要是提供硬件平台内部接口连接。

如图9所示，后面板接口通过96芯接插件连接背板，以连接对外接口对应的总线引脚。

如图10所示，前面板上安装了设备的电源开关、LED指示灯、备用硬件接插件和1个USB口，通过48芯接插件连接转接板，并通过转接板的96芯接插件连接背板。

如图11所示，侧面板分别通过两端的96芯接插件连接转接板和背板，从而实现背板与前面板、显控模块的信息交互。

如图12所示，转接板具有1个96芯接插件和2个48芯接插件，其作用主要是通过96芯接插件与侧面板相连，其中一个48芯接插件连接前面板，另一个48芯接插件用于连接显控模块。

由上述可知，各模块固定在背板上，并通过自定义的连接器管脚与背板连接通信，模块之间的接口属于内部接口；整个硬件平台的对外接口主要由后面板统一对外输出，主要包括串口、网口、USB以及VGA等，具体如表所示：

表5龙芯处理器硬件平台接口参数描述

实施例中，硬件平台采用19英寸的标准系列尺寸，高度7U。整体结构设计运用成熟技术的同时，采用新材料、新工艺设计提高设备环境适应能力，系统外观设计简洁明快，具有现代感和良好的人机关系，操作和显示面板直观简单化。这种互换性设计将硬件平台各模块采用模块化设计，出现故障后，可进行原位替换，提升硬件平台维修效率。硬件平台高度7U，深度385mm(含把手)，各模块单元可在加电状态下进行调试和维修。插箱面板上装有松不脱螺钉，配合导轨，保证插箱的固定连接。前面板集成17寸LCD显示器和键盘，供用户操作设备。设备对外接口集中在后盖板。其中：

如图13所示，实施例中，A6显控模块采用一体化结构设计，将内部键盘、触摸板、显示器等合理搭配组成。键盘和触摸板设计在一个平面结构上，并与 LCD显示器成一体化的折叠结构。在键盘、触摸板不用时，键盘合起挡在LCD 显示器前，对LCD显示器有保护作用；使用时，将键盘翻下至水平位置，供操作人员操作设备。该模块方便拆卸，卸掉位于四角的固定螺丝后，就可将整个模块快速卸下，无需将整机从机架卸下就可以对A6显控模块背后的A1主控模块、A4串口扩展模块、A2扩展业务模块、A3扩展功能模块和电源模块等进行维护。

综上可见，该设计在国产化部件适配方面，采用基于国产龙芯3A芯片的主控硬件环境，通过对国产处理器硬件平台开展了系统软硬件适配工作，形成了以中标麒麟操作系统、人大金仓数据库等国产基础环境的版本，同时硬件平台提供网口、串口、USB等常用接口。在功能扩展方面，提供标准CPCI接口，具备业务、功能扩展能力，在日常办公、无线通信、行业应用均具备较强的实用性。当然，该平台所采用的处理器也不限于龙芯处理器，例如：对于高吞吐率计算要求较高的需求可采用飞腾处理器，对于高性能计算要求较高的需求可采用申威处理器等。

进一步的，通过对基于龙芯处理器硬件平台的硬件设计、软件设计以及研制组装，最终实现基于国产自主可控的硬件平台研制。在样机设计完成后，采取了针对性的测试方案，分别对硬件平台的CPU、内存读写、硬盘读速度以及其他数据接口性能进行了测试，同时对其环境适应性、可靠性等运行情况在专业机构进行检测。结果表明，基于龙芯处理器硬件平台在内存读写、硬盘读速度、接口通信均正常，并且通过既定的环境试验、可靠性试验，能够满足日常办公、无线通信、行业应用等多种领域的应用。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硬件平台，其特征在于，包括机箱及机箱内的背板、多个功能模块和至少一块面板，背板为使用无源器件的印制板，并采用CPCI总线接口设计；功能模块包括主控模块、业务/功能扩展模块、串口扩展模块、显控模块和电源模块；其中，主控模块，业务/功能扩展模块和串口扩展模块采用外型统一且具有标准CPCI接口的模块化设计，并采用可拆卸的插卡方式安装在机箱内的导轨槽内并固定在背板上；显控模块采用可拆卸的插卡方式安装在机箱前侧，用于提供人机交互显示及操作；机箱内所有数据线均通过印制板直接连接；主控模块、业务/功能扩展模块、串口扩展模块和电源模块通过CPCI标准定义的连接器将其所具有的对外接口对应的总线引脚与背板连接；显控模块通过自定义连接器将其所具有的对外接口对应的总线引脚与转接板连接，再通过转接板与背板连接；面板通过相应的接插件与背板连接，并配置有与各功能模块对应的多个对外接口。

2.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，各功能模块配置有通过CPCI标准定义的J1～J5连接器，各连接器按照自定义的管脚功能将功能模块的对外接口对应的总线引脚与背板连接。

3.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述面板包括后面板、侧面板和前面板，通过96芯或48芯的接插件与背板或转接板连接。

4.如权利要求3所述的硬件平台，其特征在于，所述后面板提供硬件平台的对外信息交互接口连接；所述前面板提供电源开关、运行指示灯的显示、以及一个USB的对外信息交互接口连接；所述侧面板提供硬件平台内部接口连接。

5.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述主控模块包括处理器、北桥芯片和南桥芯片，主处理器采用国产龙芯处理器，支持SPI/LPC BIOS和PMON3.3，运行国产操作系统，提供软件支撑环境承载。

6.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述串口扩展通过主控模块支持的CPCI总线扩展8个独立配置的异步串行接口，供业务/功能模块和后面板引出用；8个异步串行接口均为全信号UART接口，前出串口信号配置有RS232/RS422/RS485标准信号接口，后出串口信号为TTL电气接口，并通过8位拨码开关S400、S401、S200切换串口输出电平类型及控制串口是否有效工作。

7.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述显控模块用于提供人机交互显示及操作，其配置有显示屏、键盘和触摸板，并采用显示器和键盘、触摸板设备一体化的折叠结构设计。

8.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述业务/功能扩展模块包括业务扩展模块和/或功能扩展模块，依据功能需求进行配置，利用CPCI接口定义串口RS232通信，并满足+5V供电要求。

9.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述电源模块与主控模块高度一致；其采用标准欧式接口，支持交流220V输入，输入电压范围为90～264V宽电压，并提供12V、5V、3.3V和-12V四路直流输出。

10.如权利要求1所述的硬件平台，其特征在于，所述硬件平台采用19英寸的标准系列尺寸，高度为7U，各功能模块采用高度为6U的主板，电源模块采用6U标准欧式接口，显控模块配置的显示屏为17英寸。