引言

服務(wù)器分為很多種不同的類型：從機(jī)架式、刀片式和塔式到用于高密度計(jì)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(xì)觀察的話可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)服務(wù)器設(shè)計(jì)都具備許多共同的特征。通常，它們具備多個(gè)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(gè)常見的共同特征。盡管設(shè)計(jì)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(shí)是在對基本的服務(wù)器架構(gòu)進(jìn)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(jì)工程師會對這種基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)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(jì)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(jì)中有著關(guān)鍵的作用，用以滿足特定的應(yīng)用需求。設(shè)計(jì)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(kuò)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(shí)是不可或缺的。設(shè)計(jì)工程師不斷努力以降低實(shí)現(xiàn)這些功能的成本和復(fù)雜性，同時(shí)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(jì)中實(shí)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(jì)方法進(jìn)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(shí)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(gè)PLD功能說明的服務(wù)器設(shè)計(jì)框圖（設(shè)計(jì)實(shí)例）

功能 #1 - 電源管理、控制和膠合邏輯功能

以前，設(shè)計(jì)工程師通常使用多種不同的分立元件來實(shí)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(jì)日益復(fù)雜、功能越來越多，這類設(shè)計(jì)需要的器件也變得越來越多。現(xiàn)在，如果設(shè)計(jì)工程師要為多種類型的服務(wù)器設(shè)計(jì)功能 #1，采用離散元件將需要很多時(shí)間和人力。舉個(gè)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(shí)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(jìn)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(jì)有時(shí)需要重新改整個(gè)電路板，不僅進(jìn)一步拖延了項(xiàng)目進(jìn)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(shí)啟動(dòng)）。通常，實(shí)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(shí)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(shí)啟動(dòng)的非易失性PLD，提供640 LUT到9400 LUT以及22個(gè)I/O到384個(gè)I/O的器件選擇。這些PLD可以在系統(tǒng)中透明地進(jìn)行更新，并提供雙引導(dǎo)支持以便從任何系統(tǒng)更新錯(cuò)誤中恢復(fù)。這些器件只需一個(gè)3.3V電源即可工作，當(dāng)該電源電壓高于2.2V時(shí)，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(gè)啟動(dòng)，最后一個(gè)關(guān)閉的器件。這些器件支持多個(gè)I/O Bank，可以單獨(dú)上電或斷電而不影響其他模塊的運(yùn)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(gè)電源區(qū)塊控制、帶外信號發(fā)送和電源待機(jī)控制。憑借上述器件，設(shè)計(jì)工程師還能夠?qū)PI、I2C和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器接口添加到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并支持多次可編程片上配置閃存。這些先進(jìn)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(shí)現(xiàn)控制PLD功能，如電源/復(fù)位時(shí)序、各種類型的串行總線（I2C、SPI、eSPI、SGPIO等）、調(diào)試端口、LED驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)扇PWM驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)帶外信號功能集成，無需外部GTL收發(fā)器。當(dāng)芯片運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)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(diǎn)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(shí)。

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(jì)工程師顯著加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，在有限時(shí)間內(nèi)滿足市場對于全新定制硬件的需求的壓力。有時(shí)候，在實(shí)現(xiàn)控制功能時(shí)會出現(xiàn)bug或系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)需要的新功能。這時(shí)，對設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)。這種方法需要進(jìn)行電源復(fù)位，會中斷整個(gè)服務(wù)器硬件的運(yùn)行，降低可用性。為了確保高可用系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，MachXO3器件可以保持I/O狀態(tài)不變，同時(shí)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(shí)現(xiàn)零停機(jī)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(shí)觸發(fā)了“保持當(dāng)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(jī)將開始重新啟動(dòng)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(dāng)新鏡像創(chuàng)建的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行初始化時(shí)，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(gè)關(guān)鍵的I/O添加了一個(gè)鎖存MUX。它在狀態(tài)機(jī)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(jī)。該電路能夠使用“Hitless_IO_Enable”輸入?yún)^(qū)分正常（上電）啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)即時(shí)的配置更改成為可能，可馬上糾正設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。

功能 #2 - 實(shí)現(xiàn)磁盤熱插拔所需的邏輯功能

機(jī)架式服務(wù)器支持熱插拔HDD/FD/NVMe驅(qū)動(dòng)器。這些磁盤驅(qū)動(dòng)器插入到背板。背板通過串行接口（如SGPIO和I2C）連接到主板。設(shè)計(jì)工程師可以使用MachXO2/3器件集成如圖4所示的邏輯功能以實(shí)現(xiàn)背板控制。舉個(gè)例子，當(dāng)NVMe驅(qū)動(dòng)器插入驅(qū)動(dòng)器插槽時(shí)，MachXO2/3器件中的邏輯自動(dòng)將狀態(tài)和控制信號發(fā)送到I2C總線而不是SGPIO總線。

圖4：使用MachXO2/MachXO3 PLD簡化使用熱插拔驅(qū)動(dòng)器的背板控制功能

功能 #3 - 主機(jī)總線適配器電路板的硬件管理

萊迪思MachXO2/3器件的另一個(gè)潛在應(yīng)用是集成主機(jī)總線適配器控制邏輯。如圖5所示，該解決方案集成SGPIO和其他帶外信號，管理電源/復(fù)位時(shí)序和其他PLD功能，包括快速電源故障檢測和狀態(tài)保存。設(shè)計(jì)人員還可以在現(xiàn)場實(shí)時(shí)對MachXO2/3器件中實(shí)現(xiàn)的邏輯添加功能和修復(fù)錯(cuò)誤，通過無中斷更新I/O功能和I2C接口不會中斷系統(tǒng)操作。

圖5：集成主機(jī)總線適配器邏輯

功能 #4 - 電壓電流和溫度遙測

通常情況下，系統(tǒng)會持續(xù)對一些重要的電源電壓、電路板和器件溫度以及當(dāng)前的負(fù)載進(jìn)行測量。為了測量這些參數(shù)，服務(wù)器主板使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC來增加BMC、外部溫度檢測IC和電流檢測IC所需的通道數(shù)量。此外，該電路板使用I2C緩沖器IC和I2C多路復(fù)用器IC來管理遙測I2C總線（圖6）。電路板上的DC-DC轉(zhuǎn)換器用于為IC供電，由控制PLD器件控制?？刂芇LD還監(jiān)控來自DC-DC轉(zhuǎn)換器的“Power-Good”數(shù)字信號。

設(shè)計(jì)工程師可以使用萊迪思的ASC（模擬傳感和控制）器件與控制PLD來集成ADC IC和一些溫度傳感IC。同時(shí)，器件將“Enable”和“Power-Good”信號從控制PLD傳輸?shù)紸SC器件。這樣做可以釋放控制PLD上的I/O，然后這些I/O可用于集成I2C緩沖器和I2C多路復(fù)用器IC。遙測電路的總體成本和BOM都得以降低。另外，通過檢測電源電壓的“Power-Good”狀態(tài)以及斷電狀態(tài)，ASC還有助于提高斷電時(shí)序的可靠性，并最大限度地降低電路板擁塞程度。

圖6：實(shí)現(xiàn)遙測功能集成的新方法

功能 #5 - Bios和BMC固件驗(yàn)證

為了實(shí)現(xiàn)BIOS和BMC固件驗(yàn)證，MachXO2/3器件可用作無條件被信任（root-of-trust）（圖7）的安全硬件。在該配置中，器件實(shí)現(xiàn)橢圓曲線簽名認(rèn)證來驗(yàn)證系統(tǒng)BIOS和BMC固件。當(dāng)正在運(yùn)行的鏡像遭受入侵的情況下，它們也可用于管理自動(dòng)黃金鏡像切換。

圖7：基于MachXO2/3的解決方案管理和驗(yàn)證BIOS和BMC固件

功能 #6 - PCH上的TPM/TCM和單個(gè)SPI接口之間的橋接

萊迪思的MachXO2/3器件提供各類橋接解決方案。例如，服務(wù)器設(shè)計(jì)工程師可以使用這些器件將PCH SPI接口與TPM模塊（在中國以外的國家使用）或TCM模塊（在中國使用）連接到同一硬件上（圖8）。該橋接可適配輸入和輸出的各種工作頻率。

圖8：用于TCM的LPC到SPI橋接

功能 #7 - 在擴(kuò)充卡上集成多種功能

服務(wù)器通常使用擴(kuò)充卡添加LED驅(qū)動(dòng)器、控制和傳感功能，以減少主板上的器件連接數(shù)量。通常情況下，這些功能使用分立邏輯IC實(shí)現(xiàn)，這就需要多種類型的擴(kuò)充卡，每種類型的功能都略有不同。減少所需擴(kuò)充卡類型的一個(gè)方法是將每個(gè)擴(kuò)充卡的功能集成到MachXO2/3 PLD上。然后可以在生產(chǎn)制造過程中簡單地修改集成在MachXO2/3器件中的邏輯來定制擴(kuò)充卡邏輯功能。

功能 #8 - 整合多個(gè)I2C緩沖器

服務(wù)器系統(tǒng)中的CPU通過一對I2C緩沖器與DDR存儲器DIMM進(jìn)行通信（圖9）。CPU還通過另一個(gè)I2C接口監(jiān)視SSD驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)工程師需要使用電壓轉(zhuǎn)換器緩沖器來將CPU的1.05 V I2C接口與1.2 V DDR存儲器和3.3 V SSD驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。CPU還使用1.05 V邏輯信號生成多個(gè)帶外信號。這些帶外邏輯信號需要與使用2.5 V或3.3 V信號接口的其他器件進(jìn)行通信。這就要在電路板上使用GTL緩沖器。

低成本MachXO3器件采用小尺寸QFN封裝（5 mm x 5 mm），可用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，涵蓋1.05 V I2C和其他1.2 V、3.3 V和2.5 V邏輯信號。這樣可以減少電路板面積、BOM以及更為重要的原因，即實(shí)現(xiàn)成本。

圖9：MachXO2/O3 1V I/O支持I2C緩沖器集成

總結(jié)

今天的服務(wù)器設(shè)計(jì)工程師總是像20年前的工程師一樣盡可能通過快速、經(jīng)濟(jì)高效的方式在電路板上集成更多功能。而其中經(jīng)常被忽視的重要方法是通過控制PLD來實(shí)現(xiàn)。通過為設(shè)計(jì)工程師提供將所有控制路徑功能集成到單個(gè)可編程器件中的簡單方式，并通過添加新功能，使得設(shè)計(jì)工程師能夠在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，控制PLD將大大簡化電路板設(shè)計(jì)和調(diào)試。