CN107122329B - 通用型高集成度计算机处理模块 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种通用型高集成度计算机处理模块。该高集成度计算机处理模块包括印制电路板；CPU芯片和随机访问存储器，其在印制电路板的正面；其中，印制电路板的宽度为80mm。本发明的实施例的高集成度计算机处理模块尺寸通用性高，适用于多种类型的工业控制载板。

Description

通用型高集成度计算机处理模块

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，更具体地，涉及一种通用型高集成度计算机处理模块。

背景技术

现有的集成电路的集成度正变得越来越高。在尽可能小的空间内实现尽可能多的功能是集成电路发展的目标。例如，COM Express模块便是这样一种高集成度计算机处理模块。为了针对不同的应用载板，同一功能的高集成度计算机处理模块发展出了多种版本。同样以COM Express模块为例，功能相同的COM Express模块就有4个版本之多。然而，众多的版本却为高集成度计算机处理模块的开发者造成了问题。开发者需要为同一功能开发4种不同版本的高集成度计算机处理模块。这既增加了开发成本，也容易造成浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种通用型高集成度计算机处理模块。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种高集成度计算机处理模块，包括:印制电路板；以及CPU芯片和随机访问存储器，其中，CPU芯片和随机访问存储器设置在印制电路板的正面。在本发明的实施例中，印制电路板的宽度为80mm。

在本发明可选实施例中，印制电路板的长度在90-140mm的范围内。在一优选实施例中，印制电路板的长度在90-115mm的范围内。在进一步优选实施例中，印制电路板的长度在90-95mm的范围内。在一个实施例中，印制电路板的长度为90mm。

在本发明可选实施例中，印刷电路板包括布线线路，布线线路仅提供5V电源电压并供给到印制电路板上需要电源电压的功能芯片。

在本发明可选实施例中，高集成度计算机处理模块进一步包括板间连接器，其设置在印制电路板的背面。板间连接器接收5V电源电压并提供给印制电路板的布线线路。

在本发明可选实施例中，处理模块还包括集成在印制电路板的正面上的电源模块，该电源模块配置为产生5V电源电压并提供给所述印刷电路板的布线线路。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器板卡，包括：高集成度计算机处理模块，所述处理模块包括:印制电路板；CPU芯片和随机访问存储器，其设置在印制电路板的正面；以及板间连接器，其设置在印制电路板的背面；其中，印制电路板的宽度为80mm。此外，该处理模块还包括应用载板，具有连接接口，其与板间连接器电连接。

在本发明可选实施例中，应用载板上包括：电源模块，其配置为产生***供电电源；以及电压转换电路，其配置为将电源模块提供的***供电电源转换成5V电源电压并提供给连接接口；其中，板间连接器接收来自连接接口的5V电源电压并提供给印制电路板的布线线路。

在本发明可选实施例中，处理模块还包括电源模块，其设置在所述印制电路板的所述正面并配置为产生5V电源电压。本发明实施例的通用型高集成度计算机处理模块可以代替现有各种类型的COM Express模块应用到各种工业控制载板上，这样能够降低使用计算机处理模块的工业应用的开发成本并提高开发效率。

附图说明

当与附图一起阅读时从下面的详细描述可最好地理解本公开的各个方面。注意到，根据工业中的标准实践，各部部件没有按比例绘制。

图1示出了根据本发明的一个实施例的高集成度计算机处理模块的正面结构示意图。

图2是图1示出的一个实施例的高集成度计算机处理模块的背面结构示意图。

图3是根据本发明实施例的图1和图2示出的高密度计算机处理模块应用到一种工业控制载板上的一个实施例。

图4是根据本发明实施例的图1和图2示出的高密度计算机处理模块应用到3UCPCI/VPX载板上的一个实施例。

图5示出了根据本发明实施例的应用载板通过板间连接器为计算机处理模块供电的原理示意图。

具体实施方式

下列公开提供了许多不同的实施例或例子，以实现本发明的不同特征。下面描述了部件和方法步骤的具体例子以简化本公开。当然，这些仅是例子并不旨在限制。应该意识到，可以将这里所公开的内容应用在多种广泛形式中，并且这里所公开的任何特定结构和/或功能仅仅是描述性的。基于这里所教导的内容，本领域技术人员应该意识到，可以独立于任何其他方面实现这里所公开的方面，并且可以以多种方式对这些方面中的两个或多个进行组合。

本发明综合了现有不同类型的高集成度计算机处理模块的特点，对高集成度计算机处理模块进行了全新的设计，提出了一种适用于不同类型载板的通用型高集成度计算机处理模块。本发明的通用型高集成度计算机处理模块可以代替全部现有的高集成度计算机处理模块。

以下以COM Express模块为对比详述本发明的技术方案。本领域技术人员应当理解，本发明的技术方案适于通用型高集成度计算机处理模块。

图1示出了根据本发明的一个实施例的高集成度计算机处理模块的正面结构示意图。如图1所示，该计算机处理模块10包括印制电路板12，集成在所述印制电路板的正面的CPU芯片14和集成在所述印制电路板的正面的内存条16。

印制电路板上12还集成有电源模块18，配置为印制电路板12上的各器件提供工作电压。处理模块10上还可以包括集成在印制电路板12上的其他器件，如芯片组11、声卡13、和电源管理模块17等。

图2是根据图1示出的一个实施例的高集成度计算机处理模块的背面结构示意图。如图2所示，处理模块10还可以包括通常集成在印制电路板12的背面上的板间连接器20。在可选实施例中，板间连接器还可以集成在印制电路板12的正面。在一个实施例中，板间连接器20可以选用泰科公司生产的型号为TE 3-6318490-6连接器，引脚数为220。板间连接器的引脚可以被分成多个功能区，包括但不限于高速信号区、模拟显示区、数字显示区、用户自定义I/O区和供电区。根据本发明的一个实例，板间连接器20的功能区可以根据具体的应用环境而改变。例如，供电区引脚的定义数量可根据具体情况进行增减。高速信号区、显示信号区和用户自定义I/O区均可以根据实际应用情况重新定义管脚的功能。在另一个实施例中，板间连接器可以选用SAMTEC公司生产的SFE/TFM系列的连接器。本领域技术人员可以理解，给出上述具体型号的板间连接器只是便于更好地理解本发明实施例并不限于上面描述的板间连接器，其他类型的板间连接器也是使用的。在本发明的实施例中，处理模块通过板间连接器电连接应用载板，该应用载板上设置有与板间连接器的I/O区电连接的I/O端口和与板间连接器的显示区电连接的显示端口。

COM Express模块的散热性能也是考虑COM Express模块是否可用的一个关键因素。COM Express模块尺寸大小和器件密度不适配时会存在散热问题，空间尺寸小，散热的空间必然也会很有限，这样会造成因热量散不出去而影响CPU的性能，进而影响最终用户的使用。因此，为确保模块的散热和正常工作，COM Express模块的尺寸大小和COM Express模块上的器件布置都是往往特别考虑的。

本发明的通用型高集成度计算机处理模块在尺寸上进行了全新的设计。进一步地，在全新的尺寸设计基础上，本发明在供电方面采用了全新的设计，既解决了有限尺寸下的供电和散热问题，同时保留了处理模块上的器件布置上的灵活性。

一、尺寸设计方面：

根据本发明的一个实施例，本发明实施例提出的通用型高集成度计算机处理模块宽度为80mm，长度为90mm至140mm之间(即80mm x 90mm至140mm)。根据本发明的一个优选的实施例，通用型高集成度计算机处理模块的尺寸制定为80mm x 90mm至115mm；更优为80mmx 90mm至95mm；最优为80mm x 90mm。

为了满足适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的需求，现有的COM Express模块包括如下尺寸：

(1)迷你Mini型(55mm x84mm)；

(2)紧凑Compact型(95mm x95mm)；

(3)基本Basic(95mm x125mm)型；和

(4)扩展Extended型(110mm x115mm)4种尺寸。

在实际使用过程中，基本型COM Express模块的使用最为广泛。然而，基本型COMExpress模块无法应用到3U CPCI主板和3U VPX主板中。3U CPCI主板尺寸为100mmx160mm。按照常规考虑板边加固，实际宽度远没有100mm，只有84mm。紧凑型COM Express模块的宽度与基本型COM Express模块宽度一致，因此也无法适用于3U CPCI主板和3U VPX主板。

迷你型COM Express模块的尺寸在狭小空间上是占有优势的，其可以应用于3UCPCI主板和3U VPX主板。然而，迷你型COM Express模块由于散热等多方面的因素，对CPU的选择则有了很大的限制。除非特定的使用场合，基本不会选择迷你型COM Express模块。以Intel的CPU为例，搭建一个最小计算机***需要CPU、内存、电源三大块。然而，仅CPU和内存，迷你型COM Express模块的55mm x 84mm已经空间不够，更何况本身COM Express模块的板对板连接器还占用一部分空间。

在综合考虑板间连接器的尺寸、结构件安装、工厂可制造性及空间最大化利用后，本发明的通用型高密度计算机处理模块的宽度定义为80mm。在长度方面，本发明的通用型高密度计算机处理模块的长度定义为最小90mm。在DDR3内存插座的长度为78.5mm的情况下，90mm的长度为高密度计算机处理模块的结构开孔加固及生产制造冗余留出了必要的空间。

以80mm x 90-95mm的实施例为例，本发明的通用型高集成度计算机处理模块完全可以替代紧凑Compact型、基本Basic型和扩展Extended型COM Express模块，也完全可以应用于3U CPCI主板和3U VPX主板中；并且，COM Express模块中CPU的性能不会受到影响。

图3是根据本发明实施例的图1和图2示出的高密度计算机处理模块应用到一种工业控制载板上的一个实施例。如图3所示，在本实施例中，利用例如4个螺柱的紧固件将高密度计算机处理模块10固定在应用载板上。高密度计算机处理模块10通过集成在其上的板间连接器20连接到工业控制载板40。为了让本领域技术人员更好直观了解本发明实施例的高密度计算机处理模块安装到工业控制板上的示例，示意性地以虚线示出了板间连接器20。实际上，集成在印制电路板12的背面上的板间连接器20应该位于处理模块10的印制板12和工业控制载板40之间，处于看不见的位置。

图4是根据本发明实施例的高密度计算机处理模块应用到3U CPCI/VPX载板上的一个实施例。如图4所示，高密度计算机处理模块10通过集成在其上的板间连接器20连接到CPCI/VPX载板50。为了让本领域技术人员更好直观了解本发明实施例的计算机处理模块安装到3U CPCI/VPX载板上的示例，示意性地示出了板间连接器20。实际上，集成在印制电路板12的背面上的板间连接器20应该位于处理模块10的印制板12和CPCI/VPX载板50之间，处于看不见的位置。

二、供电设计方面：

对于COM Express模块，散热问题是需要考虑的一个重要因素。例如，在夏季室外环境中，基本是没有办法把热量有效地驱散。在室外有阳光下，裸露在外的设备机箱内的温度可以达到55度以上，而计算机模块工作后温度还可能继续上升。在这种情况下，即使是面积更大的基本型COM Express模块，板卡的温升也会达到30度以上，而且温度很难下降。这种情况下***很难正常工作。

为了能使用在更多的狭小环境下，COM Express模块的尺寸越小越好。考虑在80mmx 90mm空间中CPU选择不受限制的情况下，有必要进一步解决散热问题，因此本发明实施例进一步提出了在供电上提供功耗不会特别高的供电电源的方案，这样能够限制处理模块工作时产生的热量。

根据本发明的一个实施例，在本发明的通用型高集成度计算机处理模块中，经印制电路板中的布线线路将5V电源电压提供给处理模块上的各需要电源电压的功能芯片，如CPU芯片、芯片组等。即，在本发明实施例的处理模块中取消了12V供电的相关电路，而仅提供5V电源电压。

现有常用定义的供电电压可以是12V或5V。12V电源电压在提供同样的电流的情况下，提供更大的功率。比如使用8个引脚，每个引脚能过1A电流，那么整体可以提供的功耗高达96W。对于5V电源电压的功率，同样以8个引脚为例，整体提供的功耗将为40W，这可以极大地降低COM Express模块产生的热量。

另外供电电压定义为5V，也可以使本发明实施例的通用型高集成度计算机处理模块在更多的应用场景中应用。例如，工业PICMG协会的CPCI及CPCIE规范中定义的主供电电压就是5V，现有12V供电电压的COM Express无法在CPCI及CPCIE中应用。

考虑采用5V电源电压而取消12V的电源电压可能带来2个问题。第一，降低的功率是否足够使用；第二，电路的改变，特别是电源电路的改变很容易在高密度计算机处理模块的有限空间内产生串扰和漏电，带来其他的问题。

对于功率的问题，ARM架构的CPU功耗很低，而X86架构的CPU功耗将会高一些。以Intel的嵌入式产品为例，Intel Atom系列的CPU功耗多为几瓦(W)。最新的Apollo Lake的CPU功耗最高的为E3950，其功耗也仅为12W。早期2010年的Intel产品Atom系列的最高功耗的CPU为D525，最大功耗仅为13W。应用于嵌入式的Core系列的CPU，Intel的功耗一般为25W。因此，以5V电源电压供电并不会不敷使用。此外，如果在某些特殊应用环境下有增加功率的需要，还可以通过增加引脚的方式来提高功耗。

以现有的供电方式为12V电源电压的COM Express模块为例，为了保证COMExpress模块的适应性和通用性，在向COM Express模块提供12V电源电压的情况下，COMExpress模块10上需要布置额外的电压转换电路将12V转成5V电源以供使用。由于COMExpress模块上的空间有限，额外的电压转换电路非常可能会引起时序错乱；也容易产生漏电的风险。另一方面，应用载板上一些接口和芯片也可能用到5V电源电压。因此，在应用载板上也需要布置将12V转5V的电压转换电路来专门供给应用载板上的芯片和接口使用。这造成了电压转换电路的重复，并且也可能会引起时序错乱和漏电的隐患。

根据本发明的一个实施例，经由应用载板向通用型高集成度计算机处理模块提供5V的电源电压，再经由通用型高集成度计算机处理模块上的布线线路向通用型高集成度计算机处理模块上的其他需要电源电压的功能芯片提供工作电压。具体而言，在本发明的一个实例中，通过板间连接器为处理模块提供5V电源电压。

图5示出了根据本发明的一个实施例高密度计算机处理模块的供电原理示意图。如图5所示，应用载板60上包括电源模块62，其提供***供电电源电压。在本发明的实施例中，***供电电源电压可以为5V、12V或24V等，供电电源电压由***配置决定。应用载板60上还包括电压转换电路64，其将电源模块62提供的***供电电源电压转换成5V电源电压，并提供给应用载板60上使用5V电源电压的芯片和接口；以及连接接口(如连接插槽)66，其连接到电压转换电路64以获得5V的电源电压并可以向与其连接的高密度计算机处理模块10提供5V的电源电压。如果电源模块62提供的***供电电源电压就是5V，则能够节省电压转换电路64。

参考图5，高密度计算机处理模块10包括板间连接器20。板间连接器20与连接接口66电连接，以获得5V的电源电压。板间连接器20通过高密度计算机处理模块10上的布线线路向高密度计算机处理模块10上的其他元件，包括但不限于CPU芯片、内存、声卡等元件，提供5V的电源电压。

通过使得高密度计算机处理模块直接使用应用载板提供的5V电源电压，省去了高密度计算机处理模块的电压转换电路，既避免了电源电压调整可能带来的串扰和漏电问题，又节省了高密度计算机处理模块的有限空间。

根据本发明的一个实施例，高密度计算机处理模块的整个功耗可以超过40W。在对功率有特别要求的情况下，可以增加5V的电源引脚而提供额外的功率。例如，图2示出的板件连接器为220个引脚的实例中，完全可以将5V电源电压的引脚增加至10个或10个以上，从而提供更高的功率。并且，通过将从12V电源电压改为5V电源电压，可以满足CPCI/CPCIE标准的要求，从而将本发明的高密度计算机模块的应用扩展到CPCI/CPCIE板卡上。

以COM Express模块为例，本发明提出的通用型高密度计算机处理模块可以代替紧凑Compact型、基本Basic型和扩展Extended型COM Express模块，部分代替迷你Mini型COM Express模块。在目前迷你Mini型COM Express模块应用非常少的情况下，本发明实例带来的好处是不需要开发多种COM Express模块，仅一种通用型高密度计算机处理模块即可。这对于开发者来说，在质量控制、成本控制、人员投入、客户二次开发使用方面都有了很大的便利。根据部分测算，采用本发明的通用型高密度计算机处理模块后，成本将会降低40％左右。

应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。

上面概述了几个实施例的特征使得本领域技术人员可较好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应当理解他们可容易地使用本公开作为基础以设计或修改其他工艺和结构以实行相同目的和/或实现在此介绍的实施例的相同优点。本领域技术人员也应意识到这种等同构造没有脱离本公开的精神和范围内，并且他们在没有脱离本公开的精神和范围情况下可以做各种改变、代替和更改。

Claims (10)

1.一种适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COM Express高集成度计算机处理模块，包括:

印制电路板；以及

CPU芯片和随机访问存储器，其设置在所述印制电路板的正面；

其中，所述印制电路板的宽度为80mm；其中CPU芯片为X86架构。

2.根据权利要求1所述的适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COMExpress高集成度计算机处理模块，其中，所述印制电路板的长度为90-140mm；90-115mm；90-95mm；或90mm。

3.根据权利要求1所述的适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COMExpress高集成度计算机处理模块，其中，所述印制电路板包括布线线路，经所述布线线路仅提供5V电源电压并供给到所述印制电路板上需要电源电压的功能芯片。

4.根据权利要求3所述的适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COMExpress高集成度计算机处理模块，进一步包括板间连接器，其设置在所述印制电路板的背面；所述板间连接器接收5V电源电压并提供给所述印制电路板的布线线路。

5.根据权利要求3所述的适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COMExpress高集成度计算机处理模块，其特征在于，所述处理模块还包括集成在所述印制电路板的所述正面上的电源模块，所述电源模块配置为产生5V电源电压并提供给所述印制电路板的布线线路。

6.一种处理器板卡，包括：

适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COM Express高集成度计算机处理模块，其包括:

印制电路板；

CPU芯片和随机访问存储器，其设置在所述印制电路板的正面；以及

板间连接器，其设置在所述印制电路板的背面；

其中，所述印制电路板的宽度为80mm；其中CPU芯片为X86架构；以及

应用载板，具有连接接口，其与所述板间连接器电连接。

7.根据权利要求6所述的处理器板卡，其中所述印制电路板的长度为90-140mm；90-115mm；90-95mm；或90mm。

8.根据权利要求6或7所述的处理器板卡，其中所述印制电路板包括布线线路，经所述布线线路仅提供5V电源电压并供给到所述印制电路板上需要电源电压的功能芯片。

9.根据权利要求8所述的处理器板卡，其中所述应用载板上包括：

电源模块，其配置为产生***供电电源电压；以及

电压转换电路，其配置为将所述电源模块提供的***供电电源电压转换成5V电源电压并提供给连接接口；

其中，所述板间连接器接收来自连接接口的5V电源电压并提供给印制电路板的布线线路。

10.根据权利要求8所述的处理器板卡，其特征在于，所述适合于安装到不同类型和尺寸的应用载板的通用型COM Express高集成度计算机处理模块还包括电源模块，其设置在所述印制电路板的所述正面并配置为产生5V电源电压。

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