一種四路伺服器主機板

《一種四路伺服器主機板》是中國科學院計算技術研究所於2004年6月9日申請的專利，該專利的公布號為CN1707463，申請公布日為2005年12月14日，發明人是孫凝暉、歷軍、聶華、孟丹、胡鵬、解利偉。該發明涉及計算機伺服器技術領域。

《一種四路伺服器主機板》包括四個處理器、存儲模組、外圍輸入/輸出部件，擴展的外部設備互連橋晶片、南橋晶片、通過擴展的外部設備互連匯流排連線的外部設備互連設備。通過採用NUMA結構解決了多處理器系統共享系統匯流排和存儲匯流排所造成的系統瓶頸，各個處理器上存儲模組擴展槽的配置方法允許用戶合理地進行擴展，提升了伺服器的可用性；用戶能夠根據需要自行選擇PCIX匯流排的工作模式和工作頻率，改善了伺服器的可擴展性；監控連線埠提供了一種有效的監控系統方案，與標識指示電路一起加強了伺服器的可管理性和可靠性，尤其增強了集群套用中的可管理性。

2015年11月27日，《一種四路伺服器主機板》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種四路伺服器主機板》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種四路伺服器主機板
• 申請人：中國科學院計算技術研究所
• 申請日：2004年6月9日
• 申請號：2004100463936
• 公布號：CN1707463
• 公布日：2005年12月14日
• 發明人：孫凝暉、歷軍、聶華、孟丹、胡鵬、解利偉
• 地址：北京市海淀區中關村科學院南路6號
• 分類號：G06F15/76
• 代理機構：北京泛華偉業智慧財產權代理有限公司
• 代理人：王鳳華
• 類別：發明專利

專利背景

伺服器是在網路環境中為客戶機提供各種服務的、特殊的專用計算機，在網路中伺服器承擔著資料的存儲、傳輸和處理等關鍵任務。伺服器可分為精簡指令集計算機（RISC）和複雜指令集計算機（CISC）兩種，X86指令集的伺服器屬於CISC。在八路以下的伺服器市場，X86指令集的伺服器具有很強的競爭力。通常可以用“四性”來衡量伺服器的好壞，即可擴展性、可用性、可管理性以及可利用性。可擴展性是指伺服器硬體可以根據需要進行靈活配置的能力；可用性是指伺服器的容錯性、可靠性；可管理性是指伺服器是否易於管理和方便維護；從硬體的角度來講可利用性是指伺服器的處理能力是否滿足工作負荷。主機板是伺服器的核心構件，它作為整個系統的平台決定了伺服器的這些特性。

可利用性是一個相對於套用要求的指標，不同的套用所要求的伺服器處理能力也不同。2004年前，1-2路X86伺服器適用於企業的防火牆、快取和負載均衡伺服器，以及Web伺服器。2-4路伺服器適用於工作量很大的Web伺服器和套用伺服器。4-8路伺服器適用於後台資料庫和存儲伺服器。伺服器的性能和處理器的數目之間並不是完全的線性關係，即四路伺服器並不能達到一路伺服器運算性能的四倍。多路伺服器性能的提高主要受到程式並行度和系統架構兩方面的影響。例如在X86系統最常見的基於匯流排的SMP結構中，由多個處理器、存儲控制器、存儲模組及橋路、I/O部件組成，這些處理器由一套匯流排與存儲控制器相連，通過分時復用的方式共享這條匯流排，從存儲模組中獲取所需的指令和數據。這種結構的缺陷在於當處理器的數目增長時匯流排的頻寬不能相應地增長。當多個處理器需要的頻寬超過匯流排提供的頻寬時，就形成了系統性能增長的瓶頸。對於四路伺服器而言，這個瓶頸造成的影響已經相當顯著了。

作為一台伺服器還要求具有很高的可用性。因為伺服器所面對的是整個網路的用戶，只要網路中可能有用戶，伺服器就應當能夠提供服務。提高可用性有兩個方面，一是通過冗餘設計去糾正錯誤和避免損害，如ECC存儲器、冗餘電源等；二是儘量避免故障的發生，如使用故障率低的部件、改善伺服器的工作環境等。伺服器的監控系統可以對伺服器的工作環境進行監測，從而避免由於工作環境的因素造成故障。同時，監控系統還可以提高伺服器的可管理性，特別是在集群套用中，監控系統能夠使伺服器的管理由雜亂、煩瑣變得集中、高效。

2004年前市場上的主機板並不能從硬體上直接支持監控系統套用，監控系統的使用通常需要改變伺服器內的接線和提供相應的軟體支持。這使得系統變得臃腫，有時還需要消耗處理器的資源。特別是在伺服器的集群套用中，對伺服器的可管理性有十分突出的要求，而一般伺服器的設計並沒有對這種套用進行最佳化。

發明內容

專利目的

該發明要解決的技術問題針對2004年之前的技術中四路伺服器系統的系統性能增長瓶頸和可管理性差的問題，提供一種四路伺服器主機板，提高四路伺服器的可擴展性、可用性、可管理性和可利用性。

技術方案

《一種四路伺服器主機板》包括四個處理器、存儲模組、外圍輸入/輸出部件，擴展的外部設備互連橋晶片、南橋晶片、通過擴展的外部設備互連匯流排連線的外部設備互連設備，其中存儲模組與處理器連線，外圍輸入/輸出部件與南橋晶片連線；處理器之間、處理器、擴展的外部設備互連橋晶片、和南橋晶片之間通過超傳輸匯流排傳遞信息。

在上述方案中，所述超傳輸-擴展的外部設備互連橋晶片擴展出兩組擴展的外部設備互連匯流排，南橋晶片擴展出外部設備互連匯流排、少量引腳匯流排、內部積體電路匯流排、通用串列匯流排和集成驅動電子設備接口；超級輸入/輸出晶片通過少量引腳匯流排與南橋晶片聯接。在上述方案中，所述存儲模組為雙倍數率雙列直插記憶體模組。在上述方案中，所述處理器為AMDOpteron處理器，四個處理器均配有雙倍數率雙列直插記憶體模組，在四個處理器中有一引導處理器，所述引導處理器配有四個雙倍數率雙列直插記憶體模組，其他處理器配有兩個雙倍數率雙列直插記憶體模組。

在上述方案中，外圍輸入/輸出部件通過所述超傳輸匯流排連線到所述引導處理器上，直接與所述引導處理器相連的是擴展的外部設備互連橋AMD8131，擴展出兩組擴展的外部設備互連匯流排，每組擴展的外部設備互連匯流排的匯流排頻率和工作模式可以獨立調整。在上述方案中，所述四路伺服器主機板還包括一個監控連線埠，所述監控連線埠將內部積體電路匯流排等信號引出在上述方案中，所述監控連線埠使用一個22針的插槽置於外部設備互連匯流排插槽後，並與其成一條直線，允許插入的監控卡使用外部設備互連匯流排的信號。

在上述方案中，所述監控連線埠包括如下信號：鍵盤的時鐘、數據信號，滑鼠的時鐘、數據信號，VGA視頻信號組，連線環境測量模組的IC匯流排信號，開機、復位信號。在上述方案中，所述四路伺服器主機板還包括一個標識指示電路，用於在機群中標識某台伺服器，所述標識電路由所述四路伺服器主機板的板上電路部分和板外電路部分組成，兩部分電路通過一個2針插座相連。

在上述方案中，所述四路伺服器主機板的板上電路部分位於所述四路伺服器主機板上，由電阻、2針插座、發光二極體串連組成，電阻的一端接5V的待機電源，發光二極體的陽極接至2針插座，陰極接至電源地，發光二極體位於所述四路伺服器主機板邊緣靠近機箱後面板的位置。在上述方案中，板外電路部分不在主機板上，由手動自鎖按鍵、發光二極體和2針插頭組成，手動自鎖按鍵和發光二極體串連後兩端通過導線接至2針插頭，手動自鎖按鍵和發光二極體均位於機箱的前面板上。

改善效果

《一種四路伺服器主機板》通過採用NUMA結構解決了多處理器系統共享系統匯流排和存儲匯流排所造成的系統瓶頸，各個處理器上存儲模組擴展槽的配置方法允許用戶合理地進行擴展，提升了伺服器的可用性；用戶能夠根據需要自行選擇PCIX匯流排的工作模式和工作頻率，改善了伺服器的可擴展性；監控連線埠提供了一種有效的監控系統方案，與標識指示電路一起加強了伺服器的可管理性和可靠性，尤其增強了集群套用中的可管理性。

附圖說明

圖1為該發明的四路伺服器主機板結構圖；

圖2為該發明實施例的四路伺服器主機板邏輯結構圖；

圖3為該發明實施例的四路伺服器主機板的PCIX匯流排的工作頻率和模式調整電路；

圖4為該發明實施例的四路伺服器主機板的監控插槽的結構圖；

圖5為該發明實施例的四路伺服器主機板的標識指示電路圖。

權利要求

1、《一種四路伺服器主機板》包括四個處理器、存儲模組、外圍輸入/輸出部件，其特徵在於，還包括擴展的外部設備互連橋晶片、南橋晶片、通過擴展的外部設備互連匯流排連線的外部設備互連設備，其中存儲模組與處理器連線，外圍輸入/輸出部件與南橋晶片連線；處理器之間、處理器、擴展的外部設備互連橋晶片、和南橋晶片之間通過超傳輸匯流排傳遞信息。

2、如權利要求1所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述擴展的外部設備互連橋晶片擴展出兩組擴展的外部設備互連匯流排，南橋晶片擴展出外部設備互連匯流排、少量引腳匯流排、內部積體電路匯流排、通用串列匯流排和集成驅動電子設備接口；超級輸入/輸出晶片通過少量引腳匯流排與南橋晶片聯接。

3、如權利要求1所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述存儲器為雙倍數率雙列直插記憶體模組。

4、如權利要求1和3所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述處理器為AMDOpteron處理器，四個處理器均配有雙倍數率雙列直插記憶體模組，在四個處理器中有一引導處理器，所述引導處理器配有四個雙倍數率雙列直插記憶體模組，其他處理器配有兩個雙倍數率雙列直插記憶體模組。

5、如權利要求1所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，外圍輸入/輸出部件通過所述超傳輸匯流排連線到所述引導處理器上，直接與所述引導處理器相連的是擴展的外部設備互連橋AMD8131，擴展出兩組擴展的外部設備互連匯流排，每組擴展的外部設備互連匯流排的頻率和模式可以獨立調整。

6、如權利要求1所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述四路伺服器主機板還包括監控連線埠，所述監控連線埠將內部積體電路匯流排等信號引出。

7、如權利要求6所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述監控連線埠使用一個22針的插槽置於外部設備互連插槽後，並與其成一條直線，允許插入的監控卡使用外部設備互連匯流排的信號。

8、如權利要求6所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述監控連線埠包括如下信號：鍵盤的時鐘、數據信號，滑鼠的時鐘、數據信號，視頻圖形陣列信號組，連線環境測量模組的內部積體電路匯流排信號，開機、復位信號。

9、如權利要求1所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述四路伺服器主機板還包括一個標識指示電路，用於在機群中標識某台伺服器，所述標識電路由所述四路伺服器主機板的板上電路部分和板外電路部分組成，兩部分電路通過一個2針插座相連。

10、如權利要求9所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述四路伺服器主機板的板上電路部分位於所述四路伺服器主機板上，由電阻、2針插座、發光二極體串連組成，電阻的一端接5V的待機電源，發光二極體的陽極接至2針插座，陰極接至電源地，發光二極體位於所述四路伺服器主機板邊緣靠近機箱後面板的位置。

11、如權利要求9所述的四路伺服器主機板，其特徵在於，所述的板外電路部分由手動自鎖按鍵、發光二極體和2針插頭組成，手動自鎖按鍵和發光二極體串連後兩端通過導線接至2針插頭，手動自鎖按鍵和發光二極體均位於機箱的前面板上。

實施方式

圖1《一種四路伺服器主機板》主機板結構圖，如圖所示，四路伺服器主機板包括四個處理器10、分別與處理器連線的存儲模組20、擴展的外部設備互連（PCIX）橋晶片30、南橋晶片40、通過PCIX匯流排連線PCIX橋晶片30的PCIX/PCI設備50及與南橋晶片連線的其它I/O部件60，其中處理器之間、處理器、PCIX橋晶片、和南橋晶片之間通過超傳輸（HT）匯流排傳遞信息。圖2示出了該發明的具體實施例中的四路伺服器主機板結構圖。

如圖2所示，該主機板包括四個Opteron處理器1、分別與處理器連線的雙倍數率雙列直插記憶體模組（DDRDIMM）2、超傳輸-擴展的外部設備互連（HT-PCIX）橋晶片3、南橋晶片4和外圍I/O部件。4個Opteron處理器1，HT-PCIX橋晶片3和南橋晶片4通過超傳輸（HT）匯流排聯接。HT-PCIX橋接晶片3擴展出兩組PCIX匯流排，南橋晶片4擴展出PCI匯流排、少量引腳（LPC）匯流排、內部積體電路（I2C）匯流排、通用串列匯流排（USB匯流排）和集成驅動電子設備（IDE）接口5。BIOS存儲器6、superI/O通過LPC匯流排與南橋晶片聯接。監控連線埠7將I2C匯流排等信號引出。

四個處理器1之間通過HT匯流排連線，HT匯流排為16位寬，工作在800赫茲，具有6.4GB/s的頻寬。每個處理器都有直接相連的存儲模組，並支持雙信道工作模式。由於引導處理器（BSP，Boot strap Processor）距離I/O通道最近，大的存儲空間有利於性能的提高，因此給它外接了四個雙數據率（DDR）的雙列直插存儲模組（DIMM）擴展槽，其餘的處理器各帶有兩個DDRDIMM。2004年前，各條存儲器匯流排的工作頻率可達200赫茲，雙通道時頻寬為6.4GB/s。這種NUMA結構的存儲匯流排頻寬可以接近基於匯流排的SMP的四倍，而系統匯流排頻寬的改善更大，從而避免了基於匯流排的SMP中多處理器共享系統匯流排和存儲匯流排頻寬時產生的系統性能瓶頸。

I/O通道的擴展通過BSP的HT匯流排連線橋路晶片實現。物理上與BSP直接相連的是PCIX橋，該發明中使用的是AMD8131。它們之間的HT匯流排為16位寬，工作在800赫茲，具有6.4GB/s的頻寬。AMD8131擴展出兩路PCIX匯流排，兩路PCIX匯流排的工作頻率和模式都可以設定以適應不同的PCIX設備。其中一路PCIX匯流排帶有兩個PCIX擴展槽，可以外插一塊133赫茲的PCIX卡或兩塊100赫茲以下的PCIX或PCI卡。另一路PCIX匯流排掛有一個雙千兆乙太網控制器和一個Ultra320SCIC控制器，以及兩個PCIX擴展槽外，其中的一個PCIX槽可以插入零通道的廉價磁碟冗餘陣列（ZCR）子卡，與主機板上的小型計算機系統接口（SCIC）控制器構成小型計算機系統接口廉價磁碟冗餘陣列（SCICRAID）控制系統。

AMD8131的HT匯流排再向下擴展，與南橋晶片AMD8111相連。它們之間的HT匯流排為8位寬，工作在200赫茲，具有800MB/s的頻寬。南橋主要負責低速I/O的擴展和系統管理。南橋內集成了USB1.1控制器、IDE控制器和一個百兆乙太網控制器，發明中使用了其中的USB1.1控制器、IDE控制器來連線相應的設備。

在南橋擴展出的一路32位的PCI匯流排上，連線了USB2.0控制器、串列高級技術附屬檔案（SATA）控制器、VGA顯示模組和一個PCI擴展槽。在南橋擴展出的LPC匯流排上連線有BIOS存儲器和cI/O，BIOS記憶體用於存儲BIOS，SuperI/O用於連線鍵盤、滑鼠、串口、並口和軟碟機。

PCIX匯流排的工作頻率和模式調整電路見附圖3，PCIX匯流排的工作頻率和模式通過設定AMD8131的相關引腳的電壓進行修改。兩個PCIX匯流排有各自獨立的配置引腳，圖中只畫出了一個通道的，另一通道與此相同。相對應的選擇項如下表，其中X表示與此引腳狀態無關，0表示高電平，1表示低電平。該發明中使用一組開關電路來設定這些引腳的電壓，通過設定這些開關可以得到申請書表中全部的組合。例如，要把PCIX匯流排設定成133赫茲，則將k1、k2、k3斷開，GNT4#、GNT3#為低電平，PCIXCAP為高電平。

GNT4#	GNT3#	PCIXCAP	M66EN	工作模式	工作頻率
X	X	接地	0	PCI	33.33赫茲
X	X	接地	1	PCI	66.67赫茲
X	X	中間電壓	X	PCI-X	66.67赫茲
0	1	上拉	X	PCI-X	100.00赫茲
0	0	上拉	X	PCI-X	133.33赫茲

監控連線埠7使用了一個與PCI插槽20同系列的22腳的插槽，它作為PCI的擴展部分放置在PCI槽20的後面，參見附圖4。監控卡可以從PCI接口中獲得電源和其它信號，當不使用監控卡時，PCI插槽可以正常插入PCI卡。信號的定義如下：

A1地	B1地
A2滑鼠數據	B2紅
A3滑鼠時鐘	B3地
A4地	B4綠
A5鍵盤數據	B5地
A6鍵盤時鐘	B6藍
A7地	B7電源地
A8待機5V電源	B8行同步
A9IC匯流排時鐘	B9場同步
A10IC匯流排數據	B10地
A11開機信號	B11復位信號

主機板提供的標識指示電路見圖5，使用發光二極體作為指示燈。虛線框中的器件安裝在機箱的前面板上，K為自鎖開關，L1為發光二極體。主機板上的發光二極體L2放置在靠近機箱後面板的主機板邊緣，可以從機箱後面觀察到。J為一個兩針插座，K和L1可以直接插到主機板，這時機箱前後的指示燈可以通過手動模式開關；這兩部分電路也可以通過2針的插頭接到監控卡上，通過監控系統來手動或自動地控制指示燈的開關。例如在機群中，當某台伺服器處理器過熱時，監控系統報警並點亮此伺服器的L1和L2以便於查找。

該發明採用非一致性記憶體訪問（NUMA）結構，在NUMA結構中，系統匯流排和存儲匯流排的條數能夠隨著處理器的數目增長，因此能夠避免基於匯流排的對稱多處理器（SMP）結構中處理器之間需要共享同一系統匯流排和存儲匯流排造成的瓶頸。AMD公司推出的Opteron處理器片內帶有存儲控制器和高速的處理器間互連匯流排，宜於構成NUMA結構的伺服器，該發明中使用了這一款處理器來構架系統。

當前伺服器的高速I/O擴展主要通過擴展的外部設備互連匯流排/外部設備互連（PCIX/PCI）擴展卡實現，PCIX/PCI匯流排本身有多種工作頻率。為了支持儘可能多的擴展卡，該發明中設計了一套PCIX/PCI匯流排頻率設定電路，能夠對PCIX/PCI匯流排的工作頻率進行修改以適應擴展卡的要求。

為了簡化監控系統的設計，該發明中提供了一個專門的接口。利用這個接口能夠實現一個簡潔有效的監控系統解決方案，並且無需消耗處理器資源。另外，在集群套用中要使用KVM系統（鍵盤、顯示、滑鼠切換系統）讓多個伺服器共享一套鍵盤、滑鼠和顯示器，2004年之前的鍵盤、顯示器、滑鼠（KVM）系統需要外接的電路和多根外部連線，該發明中提供的接口還提供了KVM系統所需的信號，KVM電路與監控電路可以做在一張卡上插在機箱內，外部只需一根連線電纜。

監控連線埠提供了支持以下功能的信號：

1、支持硬體監測系統，它用來讀取主機板上的電壓、溫度、風扇轉速等值，並能夠在監測值超出正常範圍時報警。主機板上含有感測器和檢測器件，通過主機板上檢測模組的IC匯流排接口可以獲得測量值。引出的信號為IC匯流排的時鐘信號和數據信號。

2、支持KVM系統，即鍵盤、滑鼠和顯示切換系統。該系統可以實現用一套鍵盤、滑鼠、顯示器來操作最多達1024台計算機，其細節見發明《採用匯流排結構的KVM切換器》。引出的信號為滑鼠時鐘、滑鼠數據、鍵盤時鐘、鍵盤數據，顯示輸出的紅、綠、藍、行同步、場同步。

3、支持伺服器的遠程開機和復位。

為了方便在集群套用中查找某一台伺服器，該發明還提供一套伺服器標識指示電路，可以通過本地手動或遠程控制的方式標識伺服器。該發明解決了多處理器系統共享系統匯流排和存儲匯流排所造成的系統瓶頸，各個處理器上存儲模組擴展槽的配置方法允許用戶合理地進行擴展，提升了伺服器的可用性；用戶能夠根據需要自行選擇PCIX匯流排的工作模式和工作頻率，改善了伺服器的可擴展性；監控連線埠提供了對監控系統的硬體支持，與標識指示電路一起加強了伺服器的可管理性和可靠性，尤其增強了集群套用中的可管理性。

榮譽表彰

2015年11月27日，《一種四路伺服器主機板》獲得第十七屆中國專利獎優秀獎。