CN219958228U - 一种通用数据处理刀片及设备机箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种通用数据处理刀片及设备机箱，其中，通用数据处理刀片包括：FPGA单元、光模块、收发器驱动电路、光纤接口电路；收发器驱动电路电性连接于FPGA单元，光模块电性连接于光纤接口电路的第一端，光纤接口电路的第二端电性连接于FPGA单元，光纤接口电路的第三端用于电性连接外部的通用计算模块。通过本实用新型的实施，采用FPGA控制器、收发器驱动电路及光纤接口电路完成RS422差分电平的输入和输出及高速GT数据信号的光纤传输，相比于传统数据处理设备，具有高实时、高带宽、多通道数据并行传输等特点，可广泛应用于前端传感器系统设备。

Description

一种通用数据处理刀片及设备机箱

技术领域

本实用新型涉及处理器技术领域，尤其涉及一种通用数据处理刀片及设备机箱。

背景技术

通用数据处理刀片主要用于雷达信号处理、数据处理等需要高速密集计算的应用场景。对外提供10G以太网接口承载业务数据以及千兆以太网接口承载管理数据等，是一款集高性能、低功耗、高可靠性于一体的计算接口模块，可广泛应用于国防、政府、科研、通讯等领域。通用数据处理刀片为通用密集计算刀片的配套刀片，提供了通用密集计算插件对外的光纤接口、网络接口和外同步信号(差分信号)输入接口。近年来，国防等领域都有国产化的趋势，通用数据处理刀片全部采用国产芯片，以满足国产化率的要求。

随着数字化转型的深入，海量数据对信息处理提出了新的要求。传统数据处理虽然有技术成熟、性能良好、可用性高等优点，但面对实时性要求高的海量数据，其缺点也越来越明显：如传输时延和带宽性能不能达到要求等，难以满足用户需求。

实用新型内容

本实用新型提供了一种通用数据处理刀片及设备机箱，旨在解决相关技术中的数据处理设备在面对海量数据时传输时延和带宽性能不能满足要求的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型第一方面提供了一种通用数据处理刀片，包括：FPGA单元、光模块、收发器驱动电路、光纤接口电路；所述收发器驱动电路电性连接于所述FPGA单元，所述光模块电性连接于所述光纤接口电路的第一端，所述光纤接口电路的第二端电性连接于所述FPGA单元，所述光纤接口电路的第三端用于电性连接外部的通用计算模块；

所述FPGA单元包括：FPGA芯片、存储配置电路，所述存储配置电路与所述FPGA芯片电性连接。

本实用新型第二方面提供了一种设备机箱，包括如本实用新型第一方面所述的通用数据处理刀片。

从上述描述可知，与相关技术相比，本实用新型的有益效果在于：

采用FPGA控制器，通过收发器驱动电路及光纤接口电路完成RS422差分电平的输入和输出及高速GT数据信号的光纤传输，从而完成前端传感器的高速数据传输；相比于传统数据处理设备，由于FPGA控制器的数据速率和传输协议可配置，使用灵活，可支持高速光纤通道，具有光纤数据瞬时带宽不小于8GB/s和光纤数据平均带宽大于4GB/s的数据传输性能，从而具有高实时、高带宽、多通道数据并行传输等特点，可广泛应用于前端传感器系统设备中。

附图说明

图1是本实用新型实施例的通用数据处理刀片的电路原理图；

图2是本实用新型实施例的同步接口的连接示意图；

图3是本实用新型实施例的FPGA与Flash的连接示意图；

图4是本实用新型实施例的FPGA与单组DDR4的连接示意图；

图5是本实用新型实施例的PCIE接口的连接示意图；

图6是本实用新型实施例的光纤接口电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在相关技术中，由于存在现有的数据处理设备在面对海量数据时传输时延和带宽性能不能满足要求的问题，为此，本实用新型实施例提供了一种通用数据处理刀片。

如图1所示为本实用新型实施例提供的一种通用数据处理刀片的电路原理图，该通用数据处理刀片包括：FPGA单元、光模块、收发器驱动电路、光纤接口电路。

具体的，收发器驱动电路电性连接于FPGA单元，光模块电性连接于光纤接口电路的第一端，光纤接口电路的第二端电性连接于FPGA单元，光纤接口电路的第三端用于电性连接外部的通用计算模块；FPGA单元包括：FPGA芯片、存储配置电路，存储配置电路与FPGA芯片电性连接。

在本实施例中，通用数据处理刀片采用Open VPX VITA65标准规范设计，采用6UVPX刀片，尺寸为233.35(H)×81.5(D)，面板为5HP。板卡采用风冷散热方式，遵循VITA48.1REDI风冷标准，包括印制板、散热板和结构件。

本实施例的通用数据处理刀片对外采用光模块，通过收发光纤接口，完成高速GT数据信号的光纤传输和通用计算模块的千兆以太网的光纤传输。FPGA单元通过高速GT收发器完成高速GT数据信号的光纤传输，并与上位机(也即通用计算模块)进行数据通信，完成前端传感器的高速数据传输功能；FPGA单元具有存储配置电路，可实现高速数据缓存功能；另外，FPGA单元还对信号的输入和输出进行传输处理，信号对外接口采用收发器驱动电路实现RS422差分电平的输入和输出，最后可将差分信号转为单端信号接入通用密集计算插件的GPIO引脚。应当说明的是，通用数据处理刀片为通用密集计算刀片的一个PCIE设备，实现接收和发送来自DBF的光纤数据或数字模拟的光纤数据，通过DMA(Direct MemoryAccess，直接内存访问)方式将数据写入前插刀片的CPU内存缓冲区，并完成同步信号接口功能。本实施例采用FPGA控制器，数据速率和传输协议可配置，使用灵活，可以支持26路高速光纤通道，具有光纤数据瞬时带宽不小于8GB/s和光纤数据平均带宽大于4GB/s的数据传输性能，从而该通用数据处理刀片具有高实时、高带宽、多通道数据并行传输等特点，可广泛应用于前端传感器系统设备中。

如图2所示为本实施例提供的一种同步接口的连接示意图，请参见图1及图2，收发器驱动电路包括：RS422驱动器以及RS422接收器。

具体的，RS422驱动器以及RS422接收器的一端均与FPGA单元电性连接，另一端分别与相应的同步接口电性连接。

本实施例中，通用计算后IO支持4路同步信号输入和4路同步信号输出，同时能和前插板的4路GPIO互联，可定义为同步输入或输出，能够满足同步算法和同步信号输入输出的需求。RS422电气接口采用4路RS422驱动器和RS422接收器实现，同步接口采用中航光电高速高密度矩形连接器J30J-15TJWP7-J；其中，同步接口控制逻辑由FPGA实现，主要实现以下功能：实现同步信号接收、处理、转发功能，具备将同步信号转为单端信号接入通用密集计算插件的GPIO引脚；同步接口的帧周期驻留脉冲CPI的时序基准可根据配置换为内部基准或外部基准，并作为其他同步信号(如LD驻留周期脉冲PRT，单波形脉冲ST等)的同步基准；当切换为内部基准模式时，CPI由FPGA内部的计数器产生；当切换为外部基准模式时，CPI可分别来自3个外输入信号，由相应的配置寄存器控制；可根据配置产生多个周期可控、延时和脉宽可调的同步信号；每个信号可由相应的寄存器控制位单独使能或屏蔽，配置为正脉冲或副脉冲。

如图3所示为本实施例提供的一种FPGA与Flash的连接示意图，请参见图1及图3，存储配置电路包括：外部存储器以及Flash配置模块。

具体的，外部存储器与FPGA芯片的PL端电性连接，Flash配置模块通过QSPI串行接口配置方式与FPGA芯片电性连接。

在本实施例中，Flash配置模块用于配置信息的存储，外部存储器用于数据缓存。具体的，FPGA的配置启动模式分为三种：JTAG配置、SD卡配置和FLASH配置，本实施例可选的采用FLASH配置启动模式。FLASH存储器具有成本低、密度大、掉电不丢失的特点；本实施例可选的采用国微电子公司型号为SM25QU512M的NAND Flash存储器作为FPGA的数据存储介质，该Flash容量为512Mbit，核心供电电压为1.8V，选用1.8V电压为其供电；FPGA与Flash之间采用QSPI串行接口配置方式，启动项配置选择位可根据实际需要改变，并采用串型Flash启动方式。

进一步地，如图4所示为本实施例提供的一种FPGA与单组DDR4的连接示意图，请参见图4，外部存储器包括：第一DDR4存储器以及第二DDR4存储器。

具体的，第一DDR4存储器以及第二DDR4存储器均电性连接于FPGA芯片的PL端。

本实施例中，存储配置电路包括2组4GB DDR4 SDRAM外部存储器；由8片64位数据线的512MbX16的内存颗粒，构成2组64位数据线的总8GB的DDR4缓存，挂载在FPGA的PL端上，内存颗粒采用合肥长鑫存储的CXDQ3BFAM-WG。

如图5所示为本实施例提供的一种PCIE接口的连接示意图，请参见图1及图5，FPGA单元还包括GTH接口以及PCIE接口。

具体的，PCIE接口用于与通用计算模块电性连接，GTH接口与光纤接口电路电性连接。

在本实施例中，可选的采用复旦微JFM7VX690T36作为通用数据处理刀片的主控制器，该芯片兼具高性能、高灵活性及可扩展性；FPGA单元的外围基础电路包括时钟模块、电源模块、JTAG配置模块；FPGA单元的接口电路包括高速GTH接口、PCIE3.0 X8接口，通过2组13路光纤接口采集前端高速数据信号，使用了26路GTH高速收发器，并将所接收的数据通过PCIE总线与通用密集计算模块的处理器进行通信，并进行数据处理。具体的，本实施例中的FPGA单元设计了1个PCIE3.0 X8模式，如图5所示，其中PCIE_TXP和PCIE-TXN为FPGA单元的输出差分信号，PCIE_RXP和PCIE-RXN为FPGA单元的输入差分信号，可在靠近各自的信号接收端串联一个0.1uf的电容以消除信号干扰；PCIE_CLK_P和PCIE_CLK_N为时钟输出信号(该时钟信号的输入输出方向，可根据实际要求进行设计)。

此外，应当说明的是，通用数据处理刀片使用JFM7VX690T系列FPGA芯片中的高速收发器(GTH)与光模块连接的方式进行数据传输。GTH由PMA和PCS两部分组成，发送通道的PMA的工作主要是将输入的并行信号通过并/串转换成比特流，接收通道的PMA的工作则相反，即把输入的串行信号转换成并行信号，但在此之前还需先将时钟数据恢复出来，以此来提供接收并行信号时所需要的时钟信号；发送通道的PCS在将数据进行8b/10b或者64B/66B编码(10Gbps速率)之前需经过一个FIFO，来补偿发送通道PCS和FPGA内核之间的相位差，这主要因为GTH所需的时钟精度要求比较高，从外部输入的参考时钟首先要经过GTH专用的锁相环电路(PLL)来生成收发器所需的时钟，主要是高速的串行数据时钟与低速的并行数据时钟，再经过相位补偿FIFO之后，就能够保障GTH内部的串行数据与并行数据保持高度同步。

再者，JFM7VX690T系列FPGA芯片正常工作需要不同的电压，因此可按照高稳定性和低复杂度的原则将输入的电源电压进行转换以为各子系统供电，例如当输入电源为12V时，可将12V转换为1.0V、1.2V、1.8V为需求电路供电，FPGA上电顺序为1.0V上电→1.8V上电→1.2V上电。

进一步地，如图6所示为本实施例提供的一种光纤接口电路的电路原理图，请参见图1及图6，光纤接口电路包括第一MPO光纤接口、第二MPO光纤接口、第一LC光纤接口、第二LC光纤接口、第一千兆光网络接口以及第二千兆光网络接口。

具体的，第一MPO光纤接口、第二MPO光纤接口、第一LC光纤接口以及第二LC光纤接口的一端分别与相应的光模块电性连接，另一端均与GTH接口电性连接；第一千兆光网络接口以及第二千兆光网络接口的一端均用于电性连接通用计算模块，另一端分别与相应的光模块电性连接。

在本实施例中，光纤接口1和光纤接口2采用12路单模并行收发模块，光纤输出MPO接口；光纤接口4采用单路单模光模块，光纤输出LC接口；光纤接口3和2路千兆光网络接口采用单路多模光模块。其中，2组12路光纤接口通用2个12路并行收发一体光模块实现，可采用中航光电的HTG8503，该模块采用3.3V单电源供电，每通道传输速率10.3125Gbps，属于850nm多模光模块，采用200pin LGA弹片试压接连接器，工作温度为-40至+85℃，具有良好的可靠性和稳定性。此外，本实施例中各光纤接口选型可参考表1。

表1

其中，光纤接口主要技术指标如下：

光纤接口1：MPO光纤接口，12路多模光纤收发，速率支持10Gbps、5Gbps、3.125Gbps和2.5Gbps，可配置；光纤接口2：MPO光纤接口，12路多模光纤收发，速率支持10Gbps、5Gbps、3.125Gbps和2.5Gbps，可配置；光纤接口3：LC光纤接口，1路单模光纤收发，速率支持3.125Gbps和2.5Gbps；光纤接口4：LC光纤接口，1路多模光纤收发，速率支持3.125Gbps和2.5Gbps。

请参见图1，通用数据处理刀片还包括：基板管理控制器以及CPLD芯片；CPLD芯片与FPGA单元电性连接，基板管理控制器与CPLD芯片电性连接。

本实施例中的，BMC(Baseboard Management Controller，基板管理控制器)健康状况监测与管理单元采用集成ADC的微处理器，如GD32系列的处理器，可采集监控温度、电压、电流、CPU单元状态等数据，同时可实现远端状态监控及管理。为了监控系统温度，系统中加入了数字温度传感器，可以监测-55至+125℃的温度范围，精度可达±2℃。为了监测系统工作状况，采用了其自带的ADC通道监测3.3V、1.8V、2.5V、1.2V、1.05V、1.0V和12V等各档电压电流状态；系统可以通过I²C接口读取其输出数据；若出现异常，则产生报警和复位中断信号。

进一步地，请参见图1，通用数据处理刀片还包括：LED单元，LED单元电性连接于CPLD芯片。

具体的，本实施例中的通用数据处理刀片提供8个LED指示灯，其中，第一个为电源灯，板内所有电源上电完成后该指示灯亮，否则指示灯灭；第二个为FPGA加载灯，加载完成常亮，其余6个LED可在FPGA中自定义状态指示。

请参见图1及图2，通用数据处理刀片还包括：电平转换电路，电平转换电路的一端与FPGA单元电性连接，另一端通过GPIO接口电性连接外部器件。

本实用新型实施例提供的通用数据处理刀片采用FPGA控制器，通过收发器驱动电路及光纤接口电路完成RS422差分电平的输入和输出及高速GT数据信号的光纤传输，从而完成前端传感器的高速数据传输；相比于传统数据处理设备，由于FPGA控制器的数据速率和传输协议可配置，使用灵活，可支持高速光纤通道，具有光纤数据瞬时带宽不小于8GB/s和光纤数据平均带宽大于4GB/s的数据传输性能，从而具有高实时、高带宽、多通道数据并行传输等特点，可广泛应用于前端传感器系统设备中。

本实用新型实施例还提供了一种设备机箱，该设备机箱包括上述通用数据处理刀片。此外，该设备机箱还包括与该通用数据处理刀片配套的通用密集计算刀片。

需要说明的是，本实用新型内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本实用新型内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实用新型内容中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型内容将不会被限制于本实用新型内容所示的这些实施例，而是要符合与本实用新型内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种通用数据处理刀片，其特征在于，包括：

FPGA单元、光模块、收发器驱动电路、光纤接口电路；所述收发器驱动电路电性连接于所述FPGA单元，所述光模块电性连接于所述光纤接口电路的第一端，所述光纤接口电路的第二端电性连接于所述FPGA单元，所述光纤接口电路的第三端用于电性连接外部的通用计算模块；

所述FPGA单元包括：FPGA芯片、存储配置电路，所述存储配置电路与所述FPGA芯片电性连接。

2.根据权利要求1所述的通用数据处理刀片，其特征在于，所述收发器驱动电路包括：RS422驱动器以及RS422接收器；所述RS422驱动器以及所述RS422接收器的一端均与所述FPGA单元电性连接，另一端分别与相应的同步接口电性连接。

3.根据权利要求1所述的通用数据处理刀片，其特征在于，所述存储配置电路包括：外部存储器以及Flash配置模块，所述外部存储器与所述FPGA芯片的PL端电性连接，所述Flash配置模块通过QSPI串行接口配置方式与所述FPGA芯片电性连接。

4.根据权利要求3所述的通用数据处理刀片，其特征在于，所述外部存储器包括：第一DDR4存储器以及第二DDR4存储器，所述第一DDR4存储器以及第二DDR4存储器均电性连接于所述FPGA芯片的PL端。

5.根据权利要求1所述的通用数据处理刀片，其特征在于，所述FPGA单元还包括GTH接口以及PCIE接口；所述PCIE接口用于与所述通用计算模块电性连接，所述GTH接口与所述光纤接口电路电性连接。

6.根据权利要求5所述的通用数据处理刀片，其特征在于，所述光纤接口电路包括第一MPO光纤接口、第二MPO光纤接口、第一LC光纤接口、第二LC光纤接口、第一千兆光网络接口以及第二千兆光网络接口；所述第一MPO光纤接口、所述第二MPO光纤接口、所述第一LC光纤接口以及所述第二LC光纤接口的一端分别与相应的所述光模块电性连接，另一端均与所述GTH接口电性连接；所述第一千兆光网络接口以及所述第二千兆光网络接口的一端均用于电性连接所述通用计算模块，另一端分别与相应的所述光模块电性连接。

7.根据权利要求1所述的通用数据处理刀片，其特征在于，还包括：基板管理控制器以及CPLD芯片，所述CPLD芯片与所述FPGA单元电性连接，所述基板管理控制器与所述CPLD芯片电性连接。

8.根据权利要求7所述的通用数据处理刀片，其特征在于，还包括：LED单元，所述LED单元电性连接于所述CPLD芯片。

9.根据权利要求1所述的通用数据处理刀片，其特征在于，还包括：电平转换电路，所述电平转换电路的一端与所述FPGA单元电性连接，另一端通过GPIO接口电性连接外部器件。

10.一种设备机箱，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的通用数据处理刀片。