基于GD32F407的電源模塊BMC設計

杭州應用聲學研究所 袁昌權(quán) 王 欣 翁奇財

本文提出了一種基于GD32F407的電源模塊板級管理控制器（BMC.Baseboard Management Controller）的設計，實現(xiàn)電源板卡內(nèi)信息采集及板卡狀態(tài)機控制。該BMC滿足IPMI2.0協(xié)議，機箱控制器ChMC通過IPMB總線對板卡進行遠程控制和管理。BMC采用FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，對電源的狀態(tài)進行實時監(jiān)測?；谠揃MC的電源板卡經(jīng)長期使用驗證了其穩(wěn)定性及可靠性。

在某國產(chǎn)化平臺中，通過電源模塊實現(xiàn)機箱(平臺)的供電。對電源模塊工作狀態(tài)的掌握和控制，對于機箱而言是不可缺少的。電源的穩(wěn)定與否會直接影響到其他模塊的工作狀態(tài)，也會影響機箱及其他板卡的使用壽命。因此，實現(xiàn)對電源的機箱級管理和監(jiān)控是必要的，也有助于提高電源管理效率，使得電源更加可靠和實用。

1 總體設計

電源模塊采用國產(chǎn)單片機GD32F407作為控制器使用，該芯片是一款32位基于Cortex-M4架構(gòu)的RISC微處理器，最高工作頻率可達168MHz，具有高性能、低功耗、外設豐富的優(yōu)點。GD32F407具有512KB片上存儲區(qū)域，能夠燒入和保存比較大的程序。同時，該芯片配備了SPI、I2C、USART、CAN等標準和高級通信接口，最多支持140各通用I/O引腳以及多達14個16位通用定時器，19個多路復用的ADC通道。因此，該芯片能夠滿足電源模塊BMC的設計和性能需求。

電源模塊BMC設計框架如圖1所示，主要由引導程序、用戶程序兩個部分組成。引導程序主要用于BMC軟件的迭代升級，正常啟動時，引導程序直接跳轉(zhuǎn)到用戶程序；在升級軟件時，引導程序進入更新模式，通過串口接收用戶程序?qū)懭肫瑑?nèi)存儲區(qū)域。

用戶程序運行在FreeRTOS實時操作系統(tǒng)上，包括信息采集、遠程控制管理、狀態(tài)機控制、發(fā)起更新請求四個功能。FreeRTOS是一個微內(nèi)核的操作系統(tǒng)，具備任務調(diào)度和管理、時間管理、消息隊列、信號量等功能，同時因其可移植性強、可裁剪、多任務的特點，被廣泛應用于嵌入式領(lǐng)域。

圖1 BMC總體框架

本文通過在FreeRTOS中建立三個線程來實現(xiàn)用戶程序的功能。信息采集有兩種方式，第一種通過傳感器采集后經(jīng)單片機ADC轉(zhuǎn)換得到，這種方式依賴于傳感器的靈敏度及可靠性，同時受外部環(huán)境影響較大（特別是溫度采集）。第二種方式是采用類似SynQor的MCOTS-C-270可編程全磚模塊，通過協(xié)議去訪問全磚內(nèi)部模塊信息。該方式穩(wěn)定、可靠，且擴展性強，因此，本文采用第二種方式。ChMC通過兩條IPMB（I2C）總線實現(xiàn)對BMC的遠程控制管理，主要實現(xiàn)電源模塊的上下電、信息上傳、事件日志等功能。同時，兩路I2C能夠?qū)崿F(xiàn)冗余切換，增強了交互的穩(wěn)定性。狀態(tài)機控制通過判斷各模塊的狀態(tài)，在異常時執(zhí)行相應的操作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，更新請求由串口中斷響應。

2 引導程序

引導程序僅在用戶發(fā)起更新程序的請求產(chǎn)生響應，正常開機啟動時直接跳轉(zhuǎn)到用戶程序。因此，引導程序力求輕量、穩(wěn)定、安全，沒有采用操作系統(tǒng)。用戶通過串口發(fā)送更新請求碼到用戶程序，請求碼正確則由用戶程序跳轉(zhuǎn)到引導程序。引導程序執(zhí)行系統(tǒng)復位后，完成系統(tǒng)時鐘、串口、內(nèi)部FLASH配置，等待用戶發(fā)送用戶程序執(zhí)行文件。用戶通過串口將執(zhí)行文件發(fā)送到單片機，單片機將文件校驗后再寫入到指定的FLASH區(qū)域，隨后正常啟動用戶程序，程序更新完成。

3 用戶程序結(jié)構(gòu)設計

用戶程序運行于FreeRTOS操作系統(tǒng)之上，由三個線程、若干個中斷響應函數(shù)構(gòu)成。根據(jù)線程功能性的不同，其優(yōu)先級高低如下：狀態(tài)機控制＞遠程管理控制＞信息采集。狀態(tài)機控制必須保證在出現(xiàn)故障的情況下立即響應，采用定時輪詢的方式進行。遠程管理控制線程由二進制信號量掛起，信號量由I2C中斷釋放。只有ChMC向BMC發(fā)送命令觸發(fā)I2C中斷時，該線程才會運行，常規(guī)狀態(tài)下不占用CPU資源。

用戶程序中涉及的中斷包含串口更新中斷、兩路I2C中斷、定時器中斷四個中斷服務程序。在默認狀態(tài)下，I2C使用第一路進行通信，第二路作為備份。因此，中斷優(yōu)先級設計如下：第一路I2C＞第二路I2C＞定時器中斷＞串口更新中斷。定時器中斷用于為系統(tǒng)提供時間戳信息，統(tǒng)計電源板使用壽命。由于用戶程序更新不是頻繁的操作，因此其優(yōu)先級最低。

4 信息采集

圖2 電壓-電流-溫度

電源模塊信息包括溫度信息、+12V電壓信息及電流信息。在本文中，電源采用的是SynQor的MCOTS-C-270全磚模塊，該模塊可以輸出800W功率，工作于240V～425V范圍的連續(xù)輸入電壓，且能承受240V～475V范圍的瞬態(tài)輸入電壓。除此之外，該模塊的DC-DC轉(zhuǎn)換器效率也比同類型的轉(zhuǎn)換效率更高，使得轉(zhuǎn)換器所需要散發(fā)的熱量大幅降低，更容易冷卻、降溫，對于機箱散熱的控制是十分有利的。同時，該模塊為全密封設計，在-55℃到100℃的外表溫度之間仍然能夠滿載輸出。其輸入欠壓鎖定、輸出過壓保護、主動反偏壓限制、過溫關(guān)斷、輸出限流、短路保護以及可選均流等功能使其在實際應用中具備極高的可靠性。

表1 數(shù)據(jù)寫入、讀取命令及響應格式

單片機可由RS232串口總線與全磚進行通信，通過數(shù)據(jù)寫入命令設置全磚ID、生產(chǎn)日期、軟件版本等信息，也能通過數(shù)據(jù)讀取命令獲取輸入/輸出電流、輸入/輸出電壓、溫度等信息。全磚終端收到正確的命令后，會立即產(chǎn)生一個響應。無效的命令不會產(chǎn)生響應。數(shù)據(jù)寫入、讀取命令及響應格式如表1所示。網(wǎng)絡地址字符在開機上電時即默認為“m”。為了避免命令沖突，全磚定義了各功能程序的唯一地址——即訪問地址，該地址可由char、十進制或十六進制格式制定。說明符用于區(qū)分命令的種類，“=”表示寫入命令，“?”表示讀取命令。在發(fā)出寫入命令時，只有訪問地址被選中時才能被寫入，否則無法操作訪問地址的值。寫入命令和讀取命令的響應均以換行符為終止符。

表2 電源模塊信息獲取命令及響應

電源模塊信息由全磚提供。在使用時，RS232串口波特率設置為9600、8位數(shù)據(jù)位、無校驗、1位停止位。+12V電壓、溫度及輸出電流獲取命令及響應如表2所示。在FreeRTOS系統(tǒng)中利用一個單獨的線程定時輪詢電源模塊信息，輪詢周期在百毫秒級別。線程在接收到終端結(jié)果后，需要對數(shù)據(jù)進行異常值檢測和濾波處理，以排除終端返回非法結(jié)果時造成的影響。對電源進行負載（大電阻）測試，在不加散熱的條件下，其電壓、溫度、電流曲線如圖2所示。從測試結(jié)果可以看出，全磚采集到的對外+12V電壓十分穩(wěn)定，輸出電流也很平滑，溫度上升也呈近似線性的關(guān)系。

5 遠程控制管理

BMC通過IPMB總線響應來自ChMC的命令。兩路I2C總線在設計時，需要考慮多個板卡并聯(lián)時I2C上拉電阻總阻值的變化，阻值過大會導致整個機箱內(nèi)部I2C總線阻塞，過小則無法驅(qū)動I2C總線。因此，根據(jù)I2C總線的容性負載能力，選擇合適的上拉電阻是至關(guān)重要的。兩路I2C的乒乓冗余功能雖然能夠增強容錯能力，但因ChMC出錯或BMC未及時響應導致的總線阻塞的現(xiàn)象是不可避免的。在軟件的設計上，BMC的I2C處理采用非阻塞模式和錯誤處理機制。具體而言，就是在BMC向ChMC傳輸數(shù)據(jù)的過程中，檢測I2C總線的起始信號、傳輸信號、停止信號等寄存器狀態(tài)時，采用超時退出機制，并將I2C狀態(tài)標注為異常狀態(tài)。I2C異常后，狀態(tài)機會進行錯誤處理，禁用兩路I2C中斷，延時一段時間后將I2C重新初始化。該機制對ChMC出錯無效。

BMC命令符合IPMB2.0規(guī)范，其響應-應答協(xié)議如圖3所示。命令包含兩類，一類是IPMI標準命令，另一類為自定義OEM命令。IPMI標準命令包括設置/讀取系統(tǒng)時間、以及上下電。自定義命令包括設置數(shù)據(jù)命令和讀取數(shù)據(jù)命令，主要用于獲取傳感器信息、設置傳感器報警值。

BMC在收到命令后，由命令解析器解析命令數(shù)據(jù)包，在提取出命令字中的功能碼后，觸發(fā)響應處理器執(zhí)行功能處理，并將處理結(jié)果組裝成響應消息包上傳給ChMC。ChMC訪問傳感器信息時，BMC會對各個傳感器狀態(tài)進行輪詢，同時，根據(jù)輪詢結(jié)果和報警值進行比較。如果超過上限值或低于下限值，則產(chǎn)生報警報警事件，并由報警處理器將數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息以響應消息的形式上傳給ChMC，同時更新狀態(tài)信息，通知狀態(tài)機對報警進行本地處理。

當然，為防止傳感器數(shù)值異常造成錯誤報警，報警分為臨時報警和持續(xù)報警。當?shù)谝淮斡|發(fā)報警時，報警被設置為臨時報警；當一定周期內(nèi)連續(xù)觸發(fā)報警，則調(diào)整為持續(xù)報警。同樣地，若在一定周期內(nèi)報警未被觸發(fā)，則取消報警，報警處理器更新狀態(tài)信息。

根據(jù)實際的需求，傳感器的報警值設置為臨界值和故障值以及上、下限各兩條，即UC和UNC、LC和LNC，分別為故障上限、臨界上限，故障下限、臨界下限。在ChMC利用瀏覽器訪問BMC的傳感器信息如圖4所示。

6 狀態(tài)機控制

狀態(tài)機控制主要用于保證電源模塊的正常工作狀態(tài)，在BMC層級對模塊狀態(tài)進行實時監(jiān)控和管理。在系統(tǒng)啟動完成必要的硬件初始化后，首先建立并啟動狀態(tài)機控制線程，定時輪詢各硬件模塊的狀態(tài)信息。在啟動一定時間內(nèi)硬件正常的情況下，開始對外供電。在狀態(tài)機中使能看門狗，當操作系統(tǒng)因為異常無法運行時，看門狗執(zhí)行MCU復位操作重啟電源模塊。

狀態(tài)機同時響應來自報警處理器的消息。當出現(xiàn)溫度過高、電流過大的故障報警時，狀態(tài)機會停止對外供電，等待用戶的操作。

由于BMC和ChMC之間通過I2C總線進行通信，當總線出現(xiàn)阻塞時，ChMC就無法對BMC進行管理控制。因此，在狀態(tài)機中引入I2C錯誤處理機制是必要的。當I2C異常時，狀態(tài)機會向總線發(fā)送停止信號，在延時一定時間后，重新初始化I2C組件，并使能I2C中斷。

結(jié)束語：本文提出了一種基于GD32F407的電源模塊BMC設計，通過引入IPMI協(xié)議，可以實現(xiàn)對電源模塊的遠程控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)機箱的遠程復位、監(jiān)控等操作。同時，在BMC中加入了狀態(tài)機控制機制，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的自我監(jiān)測，當電壓、電流、溫度等發(fā)生異常時，模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自我保護，提高了電源的工作穩(wěn)定性和可靠性。