一、前言

随着工业控制、实时数据采集、边缘计算等应用不断向高性能、高集成度方向发展，嵌入式计算平台所承担的任务也在发生变化。

过去，一块处理器板卡可能主要承担操作系统运行、设备管理以及常规的数据处理任务。但在一些实时性要求较高的应用中，除了需要CPU完成通用计算，还需要同时处理高速数据传输、实时接口以及并行数据处理等任务。单纯依靠CPU的传统架构，在部分应用场景下已经很难同时兼顾通用计算能力和实时处理能力。

基于这样的设计思路，我们近期做了一款以飞腾D3000M处理器+FPGA协处理器为核心的VPX计算平台。

整个系统采用CPU与FPGA异构协同架构：飞腾D3000M主要承担操作系统、应用程序及通用计算任务，FPGA侧则更多承担高速接口扩展和实时并行处理任务。同时通过VPX背板将PCIe、SRIO、串口、网络以及GPIO等资源向系统侧扩展。

本文主要从硬件架构和接口规划的角度，对这一平台的设计思路做一个简单整理。

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二、整体硬件架构

整板的核心采用飞腾D3000M处理器。

D3000M采用8核架构，大核最高主频2.5GHz，小核主频1.8GHz。在实际应用中，相比单纯追求CPU峰值性能，我们更关注的是它与国产操作系统、存储、网络以及FPGA之间形成一个完整计算平台后的综合能力。

CPU侧配置16GB LPDDR5X内存，根据项目需求最高可扩展至64GB。

存储方面，板载1路M.2 NVMe 2280 SSD接口，可以直接安装NVMe固态硬盘，用于操作系统、应用程序以及本地数据存储。

BootLoader采用飞腾UEFI，操作系统目前支持银河麒麟V10/V11。

从整个架构来看，可以简单理解为：

D3000M负责“通用计算”，FPGA负责“实时与并行处理”，VPX负责“系统级互联与扩展”。

这也是这块板卡设计时比较核心的一个思路。

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三、为什么采用“CPU+FPGA”异构架构？

如果只考虑运行桌面操作系统和普通应用程序，D3000M本身已经可以完成大量计算任务。

但VPX系统实际面对的应用往往不仅仅是运行一个操作系统。

例如实时数据采集、设备通信、多通道数据处理等场景，通常还会涉及不同类型的接口协议，以及对确定性和并行处理能力的要求。

因此在CPU之外，板上增加了一颗JFM7K325T FPGA协处理器，并配置2GB DDR3缓存。

CPU与FPGA之间通过一路PCIe x4进行连接。

FPGA侧提供：

• 2路SRIO x4；
• 多路GPIO；
• 2GB DDR3缓存；
• 高速接口及实时并行处理能力。

这样的架构可以将系统管理、操作系统及复杂应用交给CPU，而部分对时序、实时性或者并行处理要求较高的任务放到FPGA侧完成。

两部分之间通过PCIe进行数据交互，从而形成一个相对灵活的异构计算架构。

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四、TSN也是这次设计中比较关注的一部分

除了普通千兆以太网之外，板上还设计了1路TSN网络接口。

因此网络部分由：

1路千兆以太网 + 1路TSN

组成。

普通以太网可以承担常规的数据通信任务，而TSN（Time-Sensitive Networking，时间敏感网络）则为一些对网络通信确定性、时间同步及实时传输要求较高的系统提供了进一步扩展的可能。

从硬件拓扑来看，TSN模块通过PCIe与D3000M连接。

对于一些实时数据采集、设备协同以及确定性通信场景，这种设计相比单一的普通以太网接口具有更大的系统配置空间。

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五、接口资源如何分配？

在实际VPX系统中，接口数量并不是越多越好。

一个更现实的问题是：哪些接口应该放在前面板方便调试，哪些接口应该通过VPX背板进入整个系统？

这块板在设计时也做了相应区分。

前面板主要保留日常使用和调试频率较高的接口，包括：

2路USB 3.0 + 1路DP显示接口。

其余大量系统接口则通过VPX背板引出。

USB方面一共提供4路USB 3.0，其中2路位于前面板，另外2路通过背板输出。

串行通信接口包括：

1路RS232、2路RS485、2路RS422，均通过VPX背板引出。

显示部分除了前面板的DP之外，还通过背板提供1路HDMI和1路VGA，其中VGA与前面板DP采用复用设计。

此外还有多路GPIO资源供系统使用。

这种前后接口分配方式，一方面方便开发阶段进行调试，另一方面在板卡安装到VPX机箱后，可以通过背板完成系统级连接，减少前面板大量线缆带来的布线问题。

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六、PCIe与高速数据通道

PCIe是整个系统内部比较重要的一条高速互联通道。

目前平台配置两路PCIe x4：

一路PCIe x4引出到VPX背板；另一路PCIe x4用于D3000M与FPGA之间连接。

第一路为系统后续扩展留下了空间，可以根据具体项目需要进一步连接其他功能模块；第二路则承担CPU与FPGA之间的数据交互。

FPGA侧进一步提供2路SRIO x4至VPX系统。

因此从整体拓扑上看，平台实际上形成了：

CPU → PCIe → FPGA → SRIO/IO

以及

CPU → PCIe → VPX背板

两条主要高速扩展路径。

这使平台既可以作为相对独立的计算节点使用，也可以放入多板卡VPX系统中承担计算、控制或者数据处理节点的角色。

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七、主要硬件参数整理

为了方便查看，将主要参数汇总如下：

项目	配置
处理器	飞腾D3000M，8核，大核最高2.5GHz、小核1.8GHz
内存	16GB LPDDR5X，最高支持64GB
存储	板载M.2 NVMe 2280 SSD接口
普通网络	1路千兆以太网
TSN	1路TSN网络
USB	4路USB 3.0，前面板2路、背板2路
显示	前面板1路DP；背板1路HDMI、1路VGA
串口	1×RS232、2×RS485、2×RS422
PCIe	1×PCIe x4至背板；1×PCIe x4连接FPGA
FPGA	JFM7K325T
FPGA缓存	2GB DDR3
FPGA高速接口	2×SRIO x4、多路GPIO
BootLoader	飞腾UEFI
操作系统	银河麒麟V10/V11
系统供电	DC 12V
整板功耗	＜35W
工作温度	-20℃～50℃ / -40℃～65℃
存储温度	-40℃～70℃
国产化	器件及系统可实现100%国产化

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八、从系统角度看这套架构

如果把所有接口参数拆开来看，这块板似乎就是CPU、FPGA、PCIe、TSN、USB、显示和串口等模块的组合。

但从系统设计角度来看，更值得关注的其实是这些资源之间的关系。

D3000M负责操作系统和通用计算，FPGA承担实时并行处理和接口扩展；PCIe负责CPU与FPGA以及VPX系统之间的高速数据交互；TSN则为确定性网络通信提供硬件接口基础。

因此，这类平台比较适合需要同时完成**“采集—处理—传输—存储”**的嵌入式系统。

特别是在实时数据采集、工业控制、测试测量以及其他需要VPX系统级互联的应用中，CPU与FPGA异构协同相比单一CPU架构具有更大的设计灵活性。

与此同时，扩展接口、FPGA逻辑以及VPX背板资源也可以根据不同系统的实际接口需求进行调整。

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九、结语

当前国产计算平台的发展已经逐渐从早期的“核心器件替代”，向处理器、操作系统、高速互联、实时通信以及异构计算协同等更完整的系统层面演进。

对于VPX这类面向嵌入式和专用计算领域的平台而言，国产化也不仅仅意味着将某一颗处理器更换为国产型号，更重要的是围绕国产CPU建立完整的软件、存储、网络、接口和协处理生态。

基于飞腾D3000M与FPGA构建异构计算架构，也是我们在这一方向上的一次硬件平台设计实践。

随着国产处理器性能、国产操作系统生态以及FPGA、高速互联等技术不断完善，未来国产VPX平台能够承担的任务也会越来越复杂。从通用计算到实时数据处理，再到多板卡之间的高速互联，国产化嵌入式计算平台正在逐步从“能够实现”向“系统化应用”发展。

本文主要记录这一平台目前的硬件架构和设计思路，后续有机会也可以继续整理一些D3000M、FPGA协同以及VPX背板接口设计方面的实际开发经验，与大家交流。