裝載操作系統(tǒng)國產(chǎn)化板卡復(fù)位系統(tǒng)的研究

寧東平，張志強(qiáng)，黃 茨

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

近年來，由于集成電路行業(yè)嚴(yán)峻的國際形勢，應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的板卡對芯片國產(chǎn)化和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的需求日益增加[1]。裝載操作系統(tǒng)的國產(chǎn)CPU[2]板卡在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，運(yùn)行操作系統(tǒng)時(shí)，CPU 的工作會(huì)受到外界因素干擾，造成自身寄存器和內(nèi)存數(shù)據(jù)混亂，導(dǎo)致程序出錯(cuò)，使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。看門狗電路用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行情況，一旦出現(xiàn)異常，輸出復(fù)位信號(hào)，復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。

目前，應(yīng)用的看門狗電路包括軟件看門狗電路[3-4]和采用復(fù)位芯片的看門狗電路[5-6]兩類。軟件看門狗的工作原理是在CPU 中采用內(nèi)部定時(shí)器，通過程序初始化寫入初值，設(shè)定溢出時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)定時(shí)器未被賦值，則會(huì)復(fù)位系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段或者運(yùn)行階段，若出現(xiàn)CPU 完全死機(jī)的情況，軟件看門狗無法進(jìn)行復(fù)位操作。采用復(fù)位芯片的看門狗電路是在CPU 看門狗與CPU 復(fù)位管腳之間增加復(fù)位芯片。復(fù)位芯片的溢出時(shí)間都比較短，在溢出時(shí)間內(nèi)沒有喂狗信號(hào)則會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)[7]。在系統(tǒng)未加載完成的時(shí)候CPU 無法輸出喂狗信號(hào)，會(huì)造成復(fù)位芯片頻繁輸出復(fù)位信號(hào)，進(jìn)而導(dǎo)致CPU 無法啟動(dòng)。因此，本文提出了一種新型的復(fù)位電路。

2 電路原理與設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

在國產(chǎn)化板卡中應(yīng)用的CPU 廠商主要包含3 類：第一類是IP 內(nèi)核授權(quán)模式，例如兆芯、海光；第二類是指令集架構(gòu)授權(quán)模式，例如飛騰、華為；第三類是授權(quán)加自主研制模式，例如龍芯、申威。第三類模式后期自主研發(fā)，完全自主可控[8-9]。龍芯CPU 處理器主要用于網(wǎng)絡(luò)、平板電腦以及工控等領(lǐng)域[10]，其應(yīng)用的最小系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 CPU 應(yīng)用的最小系統(tǒng)

龍芯CPU 運(yùn)行操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間約為4 s，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段需要進(jìn)行延時(shí)喂狗。本文提出了一種新型的復(fù)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，主要由看門狗、定時(shí)器及緩存器等組成。

圖2 復(fù)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

看門狗采用的芯片為MAX706，能夠?qū)崿F(xiàn)上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器溢出、電源欠壓警告、電源欠壓復(fù)位以及外部硬件復(fù)位等功能，看門狗的典型溢出時(shí)間約為1.6 s。

定時(shí)器采用的芯片為NA555，能夠簡便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及多諧振蕩器。NA555廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器等領(lǐng)域。定時(shí)器NA555 的真值表如表1 所示。

表1 定時(shí)器NA555 的真值表

緩沖器采用的芯片為74LVC1G125，其具有三態(tài)控制，真值表如表2 所示。

表2 緩沖器74LVC1G125 的真值表

在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，復(fù)位系統(tǒng)利用定時(shí)器NA555 延時(shí)輸出高低電平，使能緩沖器74LVC1G125的輸出，從而延時(shí)使能看門狗MAX706 的硬件復(fù)位，實(shí)現(xiàn)延時(shí)喂狗。在系統(tǒng)加載完成后，CPU 輸出喂狗信號(hào)?？撮T狗MAX706 正常運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。復(fù)位系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。ACPI_SYSRSTN 為CPU（U4）的復(fù)位信號(hào)，用于系統(tǒng)復(fù)位。WDO_A 為看門狗MAX706（U3）的溢出輸出信號(hào)。在看門狗典型溢出時(shí)間1.6 s 內(nèi)若WDI 端口無喂狗信號(hào)CPU_RST_WDI輸入，WDO_A 為低電平，否則為高電平。WDO_B 為MAX706（U3）的外部復(fù)位輸入信號(hào)，當(dāng)WDO_B 為低電平時(shí)，看門狗的RESET 端口輸出低電平，使復(fù)位信號(hào)ACPI_SYSRSTN 變?yōu)榈碗娖?，?fù)位整個(gè)系統(tǒng)。

圖3 復(fù)位系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.2 功能說明

在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，定時(shí)器U1引腳TRI 的電壓VTRI＜1/3 VCC，引腳VO 輸出高電平。此時(shí)，引腳THR因外接RC 充放電路（由R1與C1組成），其電壓VTHR不能突變。當(dāng)VTHR＜2/3 VCC且VTRI＞1/3 VCC時(shí)，引腳VO保持輸出高電平。當(dāng)RC 電路充電完成后，VTRI＞1/3 VCC，引腳VO 輸出低電平。緩沖器U2的使能引腳OE 連接至定時(shí)器U1的VO 引腳，當(dāng)OE 為高電平時(shí)，WDO_A 與WDO_B 斷開，禁止看門狗硬件復(fù)位；當(dāng)OE 為低電平時(shí)，WDO_A 與WDO_B 連接，使能看門狗硬件復(fù)位。復(fù)位系統(tǒng)的功能如表3 所示。

表3 復(fù)位系統(tǒng)功能

通過改變定時(shí)器NA555 的THR 引腳RC 充放電路的電阻（R1）和電容（C1），可以調(diào)整硬件復(fù)位使能的時(shí)間。

3 驗(yàn)證

通過電路設(shè)計(jì)與功能說明后，對復(fù)位系統(tǒng)進(jìn)行原理驗(yàn)證板卡測試驗(yàn)證。原理驗(yàn)證板卡如圖4 所示，硬件測試平臺(tái)由原理驗(yàn)證板、直流電源、萬用表與示波器組成。在驗(yàn)證板供電之前，用萬用表測試板卡上各個(gè)電源，確保無短路現(xiàn)象。在驗(yàn)證板卡供電后，用萬用表測試各個(gè)電源，確保其電壓值滿足系統(tǒng)要求。在保證各個(gè)電壓正常后，CPU 正常啟動(dòng)。此時(shí)，采用示波器捕捉關(guān)鍵信號(hào)的波形，驗(yàn)證復(fù)位系統(tǒng)原理的正確性。

圖4 原理驗(yàn)證板

在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，使用示波器探頭分別測試定時(shí)器NA555 的VO 引腳電壓VVO（VOE）與緩沖器74LVC1G125 的Y 引腳電壓VWDO_B波形，測試波形如圖5 所示。從測試波形得出，板卡上電時(shí)，VVO（VOE）為高電平，緩存器使能無效，信號(hào)WDO_A 與WDO_B斷開；緩沖器74LVC1G125 的Y 引腳被上拉至電源電壓，其電壓VWDO_B為高電平，禁止看門狗MAX706 外部硬件復(fù)位。大約3.8 s 后，定時(shí)器的THR 引腳充電完成，其VVO（VOE）為低電平，緩沖器使能。信號(hào)WDO_A與WDO_B 連接，使能看門狗MAX706 的外部硬件復(fù)位。此時(shí)，CPU 加載系統(tǒng)完成，輸出喂狗信號(hào)CPU_RST_WDI，保持看門狗信號(hào)WDO 為高電平。

圖5 VVO（VOE）與VWDO_B 測試波形

在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，使用示波器探頭測試看門狗MAX706 的引腳MR 電壓VWDO_B與引腳RESET 電壓VACPI_SYSRSTN波形，測試波形如圖6 所示。從測試波形得出，CPU 加載系統(tǒng)過程中VWDO_B與VACPI_SYSRSTN保持高電平。在系統(tǒng)加載完成后，CPU 輸出喂狗信號(hào)，VWDO_B與VACPI_SYSRSTN一直保持高電平；若喂狗信號(hào)出現(xiàn)異常，看門狗輸出復(fù)位，VWDO_B變?yōu)榈碗娖?。CPU被復(fù)位，重新加載系統(tǒng)。

圖6 VWDO_B 與VACPI_SYSRSTN 測試波形

4 結(jié)論

在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，裝載操作系統(tǒng)國產(chǎn)化板卡需要延時(shí)喂狗。因此，本研究設(shè)計(jì)了一種由看門狗、定時(shí)器以及緩沖器等組成的新型復(fù)位系統(tǒng)，通過電路設(shè)計(jì)、功能說明以及原理驗(yàn)證板卡的測試驗(yàn)證表明，在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，設(shè)計(jì)的復(fù)位系統(tǒng)斷開看門狗溢出輸出端與外部復(fù)位輸入端的連接；在看門狗輸入無翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，復(fù)位信號(hào)ACPI_SYSRSTN 保持高電平，不會(huì)復(fù)位CPU；在系統(tǒng)加載完成后，CPU 輸出喂狗信號(hào)。此時(shí)，看門狗溢出輸出端與外部信號(hào)輸入端連接，看門狗正常工作，監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。綜上所述，在CPU 系統(tǒng)啟動(dòng)階段，設(shè)計(jì)的復(fù)位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)喂狗的功能。依托裝載操作系統(tǒng)國產(chǎn)化板卡的應(yīng)用，經(jīng)過大量測試，該復(fù)位系統(tǒng)均能滿足要求且可靠性高。通過調(diào)整參數(shù)，復(fù)位系統(tǒng)可以滿足不同CPU 加載系統(tǒng)的時(shí)間要求。目前，各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的板卡對國產(chǎn)化需求日益增加，復(fù)位系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣闊。