引言

服務(wù)器分為很多種不同的類型：從機架式、刀片式和塔式到用于高密度計算的模塊化配置類型。理想情況下，每臺服務(wù)器應(yīng)經(jīng)過針對性優(yōu)化來執(zhí)行特定任務(wù)。然而，如果仔細觀察的話可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)服務(wù)器設(shè)計都具備許多共同的特征。通常，它們具備多個處理器和熱插拔存儲器，各種通過PCIe連接到CPU和PCH的外圍設(shè)備以及安全服務(wù)和電源管理解決方案，這里僅僅列出了幾個常見的共同特征。盡管設(shè)計工程師為各種應(yīng)用創(chuàng)建不同的解決方案，但在大多數(shù)情況下，其實是在對基本的服務(wù)器架構(gòu)進行定制。

圖1展示了這種常見的架構(gòu)。一般來說，服務(wù)器設(shè)計工程師會對這種基礎(chǔ)架構(gòu)進行定制以滿足不同市場的需求。外圍硬件塊、系統(tǒng)級接口塊、BMC接口和其他關(guān)鍵組件可能因服務(wù)器設(shè)計而異。而電源管理、控制和膠合邏輯功能塊（圖示中的功能 #1）在定制設(shè)計中有著關(guān)鍵的作用，用以滿足特定的應(yīng)用需求。設(shè)計工程師需要為每種服務(wù)器類型定制功能，如電源管理、電路板專用的膠合邏輯或I/O擴展。盡管功能 #1在諸如CPU、硬盤或網(wǎng)絡(luò)的任何承載業(yè)務(wù)中不起作用，但在確保板上所有主要器件在正常范圍內(nèi)工作時是不可或缺的。設(shè)計工程師不斷努力以降低實現(xiàn)這些功能的成本和復(fù)雜性，同時確保不會降低電路板的可靠性。

本文討論了在舊式服務(wù)器設(shè)計中實現(xiàn)功能 #1的傳統(tǒng)方法，并將其與現(xiàn)代服務(wù)器設(shè)計方法進行比較，后者使用PLD集成這些功能。此外，本文還討論了使用其他集成可編程器件實現(xiàn)服務(wù)器中其他常用功能以降低復(fù)雜性和成本。

圖1：8個PLD功能說明的服務(wù)器設(shè)計框圖（設(shè)計實例）

功能 #1 - 電源管理、控制和膠合邏輯功能

以前，設(shè)計工程師通常使用多種不同的分立元件來實現(xiàn)電源管理、控制和其他膠合邏輯功能。多年來這一直都是頗具成本效益的方法。但隨著服務(wù)器設(shè)計日益復(fù)雜、功能越來越多，這類設(shè)計需要的器件也變得越來越多?，F(xiàn)在，如果設(shè)計工程師要為多種類型的服務(wù)器設(shè)計功能 #1，采用離散元件將需要很多時間和人力。舉個例子，電路板上復(fù)雜SoC器件的數(shù)量發(fā)生變化的話，電源數(shù)量、膠合邏輯以及其他控制功能的數(shù)量也要相應(yīng)地發(fā)生變化。這就很可能要更改邏輯和基本時序。

因此，使用分立器件的解決方案不僅會拖累新款服務(wù)器硬件產(chǎn)品的上市進程，還會隨著所需元件數(shù)量的增加而導(dǎo)致成本上升。此外，更改設(shè)計有時需要重新改整個電路板，不僅進一步拖延了項目進程，還增加了成本。

現(xiàn)代服務(wù)器系統(tǒng)通常將功能 #1集成到非易失性PLD中。PLD將在電路板上電之后立即開始工作（瞬時啟動）。通常，實現(xiàn)功能 #1所需的邏輯資源和I/O數(shù)量取決于服務(wù)器類型。因此，能夠提供豐富的I/O和邏輯資源選擇的PLD器件非常適合實現(xiàn)功能 #1。

萊迪思MachXO3 FPGA系列以及上一代MachXO2系列（簡稱MachXO2/3）都能提供所需的功能。MachXO2/3器件是支持瞬時啟動的非易失性PLD，提供640 LUT到9400 LUT以及22個I/O到384個I/O的器件選擇。這些PLD可以在系統(tǒng)中透明地進行更新，并提供雙引導(dǎo)支持以便從任何系統(tǒng)更新錯誤中恢復(fù)。這些器件只需一個3.3V電源即可工作，當該電源電壓高于2.2V時，服務(wù)器主板電源管理算法即開始工作。因此，MachXO2/XO3是電路板上第一個啟動，最后一個關(guān)閉的器件。這些器件支持多個I/O Bank，可以單獨上電或斷電而不影響其他模塊的運行。這方面的優(yōu)勢使得它們能夠集成多種異構(gòu)功能，例如多個電源區(qū)塊控制、帶外信號發(fā)送和電源待機控制。憑借上述器件，設(shè)計工程師還能夠?qū)PI、I2C和定時器/計數(shù)器接口添加到傳統(tǒng)設(shè)計中，并支持多次可編程片上配置閃存。這些先進的器件提供5mm×5mm的QFN和BGA封裝以及1mm和0.80mm的引腳間距選擇。

功能 #1集成到控制PLD（MachXO2/3）中

在圖2中，MachXO2/3器件用于實現(xiàn)控制PLD功能，如電源/復(fù)位時序、各種類型的串行總線（I2C、SPI、eSPI、SGPIO等）、調(diào)試端口、LED驅(qū)動器、風(fēng)扇PWM驅(qū)動器、前板開關(guān)傳感以及其他一般GPIO功能。MachXO2/3器件支持1V信號，可實現(xiàn)帶外信號功能集成，無需外部GTL收發(fā)器。當芯片運行時，設(shè)計工程師可使用萊迪思軟件包中的Reveal工具調(diào)試控制PLD電路。該工具在PC上運行，可用作監(jiān)視和捕獲各種狀態(tài)的邏輯分析器以追溯故障事件。例如，使用Reveal調(diào)試工具，設(shè)計工程師能夠捕獲許多導(dǎo)致故障狀態(tài)的事件信息（包括寄存器、節(jié)點和引腳狀態(tài)），并將其顯示在PC顯示器上。這可以顯著減少系統(tǒng)電路板的調(diào)試用時。

圖2：基于MachXO2/MachXO3的控制PLD

無中斷更新I/O

控制PLD能夠幫助設(shè)計工程師顯著加速產(chǎn)品上市進程，在有限時間內(nèi)滿足市場對于全新定制硬件的需求的壓力。有時候，在實現(xiàn)控制功能時會出現(xiàn)bug或系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)需要的新功能。這時，對設(shè)計進行修改的一種常用方法是通過在系統(tǒng)更新、系統(tǒng)電源重新上電、載入經(jīng)過重新編程的鏡像來實現(xiàn)。這種方法需要進行電源復(fù)位，會中斷整個服務(wù)器硬件的運行，降低可用性。為了確保高可用系統(tǒng)的連續(xù)運行，MachXO3器件可以保持I/O狀態(tài)不變，同時刷新配置并初始化新配置。該功能稱為無中斷更新I/O。

圖3：無中斷更新I/O是如何工作的

無中斷更新I/O如何工作（圖3）

為了實現(xiàn)零停機更新，MachXO2/MachXO3器件通過“后臺更新”將新的配置數(shù)據(jù)加載到配置閃存中。一旦加載完畢，“TransFR”指令將新的PLD鏡像文件從配置閃存?zhèn)鬏數(shù)絇LD的配置SRAM。執(zhí)行“TransFR”指令的同時觸發(fā)了“保持當前狀態(tài)”功能，確保所有的I/O值在傳輸過程中保持不變。最后，在“邏輯初始化”步驟，狀態(tài)機將開始重新啟動電源管理并復(fù)位電源分配。這將導(dǎo)致電源關(guān)斷，迫使電路板開始電源上電過程。

當新鏡像創(chuàng)建的狀態(tài)機進行初始化時，系統(tǒng)是如何保持用于控制電源以及其他邏輯信號的輸出不變的？為了使得關(guān)鍵I/O在初始化過程中保持原狀，萊迪思為每個關(guān)鍵的I/O添加了一個鎖存MUX。它在狀態(tài)機初始化過程中將輸出保持為最后的已知狀態(tài)，并在初始化過程完成之后將輸出控制交還給狀態(tài)機。該電路能夠使用“Hitless_IO_Enable”輸入?yún)^(qū)分正常（上電）啟動和重新配置，可避免在正常的上電過程中發(fā)生關(guān)鍵輸出I/O值被鎖死的情況。

這種新功能的優(yōu)勢是顯而易見的。它讓制造商實現(xiàn)即時的配置更改成為可能，可馬上糾正設(shè)計缺陷或向產(chǎn)品添加新功能。它在產(chǎn)品開發(fā)過程中也能發(fā)揮重要作用，讓設(shè)計工程師能夠在服務(wù)器安裝過程中快速調(diào)試產(chǎn)品或在調(diào)試過程中更改特定的產(chǎn)品參數(shù)。

PLD的便利性和成本優(yōu)勢使其成為實現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計更新、電源管理、監(jiān)控和控制關(guān)鍵信號以及基本內(nèi)務(wù)管理功能的理想選擇。