基于PCIE的卡上图形系统的制作方法

基于pcie的卡上图形系统
技术领域
1.本发明涉及计算机系统领域，特别涉及一种基于pcie的卡上图形系统设备及访问方法。


背景技术：

2.图形操作系统，一般指有gui(图像用户接口，graphic user interface)的系统，它提供了极好的人机交互接口，如windows、mac osx、android等，比起从前的指令操作系统如dos更为人性化。
3.pci-express(peripheral component interconnect express)是一种高速串行计算机扩展总线标准，由英特尔在2001年提出的，旨在替代旧的pci，pci-x和agp总线标准。pcie比以前的标准有许多改进，包括更高的最大系统总线吞吐量，更低的i/o引脚数量和更小的物理尺寸，更好的总线设备性能缩放，更详细的错误检测和报告机制(高级错误报告，aer)和本机热插拔功能。pcie技术具有较快的传输速率，如目前主流的pcie 3.0版本吞吐量最高可达15.754gb/s，下一代的pcie 4.0版本吞吐量最高可达31.508gb/s，最新版本的pcie 5.0版本吞吐量最高可达63gb/s。
4.远程桌面/云桌面，都是将远程主机中的图像和音频，经压缩后传输回本地客户端显和播放。该技术是通过以太网络传输图像和音频，考虑到以太网络的带宽和时延，一般需要将图像数据经有损压缩/编码后，再在客户端解压/解码,对画面质量有损耗。
5.但是，现有技术存在以下缺点：
6.(1)主机计算资源有限，难以扩展计算资源。
7.(2)主机无法使用异构cpu的计算机系统。
8.(3)通过远程桌面/云桌面技术进行远程主机/云主机的访问，图像画面因经过有损压缩/编码，在客户端显示时，会有画质损失；图像画面经过以太网络传输，在客户端显示时，会有较高的时延，影响操作流畅性。


技术实现要素：

9.本发明提供了一种基于pcie的卡上图形系统，以解决至少一个上述技术问题。
10.为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于pcie的卡上图形系统，包括：
11.设备卡，包括嵌入式cpu、gpu、内存、闪存，可运行独立于主机的卡上图形操作系统，所述设备卡的cpu支持pcie ep功能以直接控制pcie的数据收发；
12.主机，其内设置有客户端，所述设备卡插在所述主机上；
13.所述主机上的客户端经由主机主板的pcie接口与所述设备卡的卡上图形操作系统中的服务端通信，获取卡上图形操作系统的运行画面和音频、实现对卡上系统的键鼠操作和系统管理。
14.优选地，所述客户端在与设备卡上的卡上系统服务建立连接后，以窗口或全屏方
式显示卡上操作系统的图像画面、播放卡上操作系统的声音，并将键鼠消息发送到卡上操作系统中，以重放操作。
15.优选地，所述卡上图形操作系统的内核提供卡上系统服务，所述卡上系统服务随卡上图形操作系统启动而自动启动，包括：
16.卡上管理模块，其接收客户端的发起连接等命令、以及接收客户端发过来的控制设备卡的命令，如重启设备卡、重启服务等；
17.图像获取模块，用于在客户端与卡上系统服务建立连接以后，从卡上图形操作系统的显示系统获取图像数据并发送到客户端，以完成在客户端显示卡上操作系统画面的功能；
18.音频获取模块，用于在客户端与卡上系统服务建立连接以后，从卡上操作系统的音频系统获取音频数据并发送到客户端，以完成在客户端播放卡上操作系统声音的功能；
19.键鼠消息系统，用于在客户端与卡上系统服务建立连接以后，接收客户端发送过来的键鼠消息，并注入到卡上操作系统的键鼠输入系统，以完成客户端对卡上图形操作系统的操作。
20.优选地，所述显示系统包括linux操作系统的framebuf帧缓冲区，所述音频系统包括linux操作系统的alsa系统。
21.优选地，所述客户端包含：
22.客户端管理模块，用于发起与卡上管理模块之间的连接，发起重启设备卡、重启服务等命令；
23.图像播放模块，用于接收卡上图像获取模块发送过来的卡上图形操作系统的原始图形数据，并以窗口或全屏方式显示出来；
24.音频播放模块，接收卡上音频获取模块发送过来的音频数据，并在主机操作系统上回放出来；
25.键鼠消息发送模块，截获用户在图形播放模块显示的窗口或全屏的键盘和鼠标事件消息，即操作命令，发送到卡上键鼠消息模块。
26.优选地，所述基于pcie的卡上图形系统还包括pcie/ep驱动，用于使客户端和卡上系统服务可以通过pcie接口交换数据。
27.优选地，所述pcie/ep驱动包括：
28.位于主机上的pcie驱动，用于支持与卡上系统通过pcie传送数据；
29.位于卡上操作系统的pcie ep驱动，用于支持与主机pcie驱动传送数据。
30.由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
31.(1)以往需要使用更多计算机系统，只能通过使用更多服务器/主机的方法；本发明可以在一台主机/服务器里面，扩展使用更多独立的计算机；
32.(2)主机要使用异构计算机的问题。本发明中的设备上的计算机系统，使用的是设备上的cpu执行计算指令，该cpu架构可以与主机相同，也可以不同，例如，本发明可包括arm、mips和risc-v等cpu架构；该cpu架构可以是x86架构，也可以是arm架构。当设备上的cpu架构与主机cpu架构不相同时，比如主机是x86架构cpu，而设备上是arm架构cpu，主机就可以使用异构cpu的计算机。该卡上计算机系统由设备上cpu的硬件执行计算指令，不会占用主机的计算资源。
33.(3)主机要使用不同类型操作系统的问题。本发明中的设备上的操作系统，使用的是设备上的计算机硬件系统，所以可以安装独立的不同于主机的操作系统。如本发明使用嵌入式cpu，一般可安装基于linux的图形操作系统，如各种基于linux的桌面发行版和android操作系统。
34.(4)相比于使用远程桌面/云桌面等通过网络连接/操作远程主机/云主机，本发明的优势在于，通过pcie传输卡上图形操作系统的图像画面，因pcie接口的吞吐量远高于以太网，能高速传输原始的未经有损压缩或编码的yuv/rgb图像，所以能在客户端显示更清晰的图像；此外，因设备卡就在主机内，画面和数据的传输时延都更低，操作和使用更流畅。
附图说明
35.图1示意性地示出了本发明的硬件结构示意图；
36.图2示意性地示出了本发明的软件结构示意图。
具体实施方式
37.以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
38.本发明公开了一种作为pcie ep的设备，以及访问该设备上的图形操作系统的设计方法。该设备具有cpu、内存、闪存和图形操作系统。该设备还具有pcie接口，可以插到任何有pcie卡槽的主机上。用户使用设备上的图形操作系统的方法是，在主机上通过客户端，经由主机主板的pcie接口与卡上图形操作系统中的服务端通信，包括获取到该卡上图形操作系统的运行画面和音频、对卡上系统的键鼠操作和系统管理等，其可采用独立的pcie卡上的cpu、内存、闪存等资源，提供给卡上操作系统计算使用。
39.请参考图1，本发明硬件包括以下部分：设备卡上具有嵌入式cpu、gpu、内存、闪存等，可运行独立于主机的计算机图形操作系统。本设备卡上的cpu需要能支持pcie ep功能，以便能直接控制pcie的数据收发。
40.请参考图2，本发明软件包括以下部分：
41.1、卡上系统服务。该服务位于卡上操作系统的内核中，随操作系统启动而自动启动，主要包含以下4个部分：
42.(1)卡上管理模块。接收客户端的发起连接等的命令；接收客户端发过来的控制设备卡的命令，如重启设备卡、重启服务等；
43.(2)图像获取模块。客户端与卡上系统服务建立连接以后，该模块负责从卡上图形操作系统的显示系统(典型情况如linux操作系统的framebuf帧缓冲区),获取图像数据，发送到客户端，以完成在客户端显示卡上操作系统画面的功能。
44.(3)音频获取模块。客户端与卡上系统服务建立连接以后，该模块负责从卡上操作系统的音频系统(典型情况如linux操作系统的alsa系统),获取音频数据，发送到客户端，以完成在客户端播放卡上操作系统声音的功能。
45.(4)键鼠消息系统。客户端与卡上系统服务建立连接以后，该模块负责接收客户端发送过来的键鼠消息，注入到卡上操作系统的键鼠输入系统，以完成客户端对卡上图形操作系统的操作。
46.2、客户端。该软件位于主机操作系统中，与卡上系统服务建立连接后，能以窗口或全屏方式显示卡上操作系统的图像画面，播放卡上操作系统的声音，并将键鼠消息发送到卡上操作系统中，以重放操作。客户端主要包含以下4个部分：
47.(1)客户端管理模块。发起跟卡上管理模块的连接；发起重启设备卡、重启服务等的命令。
48.(2)图像播放模块。接收卡上图像获取模块发送过来的卡上图形操作系统的原始图形(yuv或rgb)数据，并以窗口或全屏方式显示出来。
49.(3)音频播放模块。接收卡上音频获取模块发送过来的音频数据，并在主机操作系统上回放出来。
50.(4)键鼠消息发送模块。截获用户在图形播放模块显示的窗口或全屏的键盘和鼠标事件消息，即操作命令，发送到卡上键鼠消息模块。
51.3、pcie/ep驱动。该组件主要用于使客户端和卡上系统服务可以通过pcie接口交换数据，包含以下2个部分：
52.(1)位于主机上的pcie驱动，以支持跟卡上系统通过pcie传送数据。
53.(2)位于卡上操作系统的pcie ep驱动，以支持跟主机pcie驱动传送数据。
54.由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
55.(1)以往需要使用更多计算机系统，只能通过使用更多服务器/主机的方法；本发明可以在一台主机/服务器里面，扩展使用更多独立的计算机；
56.(2)主机要使用异构计算机的问题。本发明中的设备上的计算机系统，使用的是设备上的cpu执行计算指令，该cpu架构可以与主机相同，也可以不同，例如，本发明可包括arm、mips和risc-v等cpu架构；该cpu架构可以是x86架构，也可以是arm架构。当设备上的cpu架构与主机cpu架构不相同时，比如主机是x86架构cpu，而设备上是arm架构cpu，主机就可以使用异构cpu的计算机。该卡上计算机系统由设备上cpu的硬件执行计算指令，不会占用主机的计算资源。
57.(3)主机要使用不同类型操作系统的问题。本发明中的设备上的操作系统，使用的是设备上的计算机硬件系统，所以可以安装独立的不同于主机的操作系统。如本发明使用嵌入式cpu，一般可安装基于linux的图形操作系统，如各种基于linux的桌面发行版和android操作系统。
58.(4)相比于使用远程桌面/云桌面等通过网络连接/操作远程主机/云主机，本发明的优势在于，通过pcie传输卡上图形操作系统的图像画面，因pcie接口的吞吐量远高于以太网，能高速传输原始的未经有损压缩或编码的yuv/rgb图像，所以能在客户端显示更清晰的图像；此外，因设备卡就在主机内，画面和数据的传输时延都更低，操作和使用更流畅。
59.本发明不使用主机的计算资源，不会导致主机性能的下降；主机还可以插多张该设备，以增加使用的卡上系统的数量；具有独立与主机的计算机软硬件系统，可以使用不同于主机的cpu架构，已完成特定的计算任务。
60.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。