分布式PLD解決方案可降低服務器成本 并提升靈活性

引言

服務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，每臺服務器應經過針對性優化來執行特定任務。然而，如果仔細觀察的話可以發現大多數服務器設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的外圍設備以及安全服務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。盡管設計工程師為各種應用創建不同的解決方案，但在大多數情況下，其實是在對基本的服務器架構進行定制。

圖1展示了這種常見的架構。一般來說，服務器設計工程師會對這種基礎架構進行定制以滿足不同市場的需求。外圍硬件塊、系統級接口塊、BMC接口和其他關鍵組件可能因服務器設計而異。而電源管理、控制和膠合邏輯功能塊（圖示中的功能 #1）在定制設計中有著關鍵的作用，用以滿足特定的應用需求。設計工程師需要為每種服務器類型定制功能，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、硬盤或網絡的任何承載業務中不起作用，但在確保板上所有主要器件在正常范圍內工作時是不可或缺的。設計工程師不斷努力以降低實現這些功能的成本和復雜性，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器設計中實現功能 #1的傳統方法，并將其與現代服務器設計方法進行比較，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服務器中其他常用功能以降低復雜性和成本。

圖1：8個PLD功能說明的服務器設計框圖（設計實例）

功能 #1 - 電源管理、控制和膠合邏輯功能

以前，設計工程師通常使用多種不同的分立元件來實現電源管理、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。但隨著服務器設計日益復雜、功能越來越多，這類設計需要的器件也變得越來越多?，F在，如果設計工程師要為多種類型的服務器設計功能 #1，采用離散元件將需要很多時間和人力。舉個例子，電路板上復雜SoC器件的數量發生變化的話，電源數量、膠合邏輯以及其他控制功能的數量也要相應地發生變化。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器硬件產品的上市進程，還會隨著所需元件數量的增加而導致成本上升。此外，更改設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。

現代服務器系統通常將功能 #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，實現功能 #1所需的邏輯資源和I/O數量取決于服務器類型。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可以在系統中透明地進行更新，并提供雙引導支持以便從任何系統更新錯誤中恢復。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。這方面的優勢使得它們能夠集成多種異構功能，例如多個電源區塊控制、帶外信號發送和電源待機控制。憑借上述器件，設計工程師還能夠將SPI、I2C和定時器/計數器接口添加到傳統設計中，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器件用于實現控制PLD功能，如電源/復位時序、各種類型的串行總線（I2C、SPI、eSPI、SGPIO等）、調試端口、LED驅動器、風扇PWM驅動器、前板開關傳感以及其他一般GPIO功能。MachXO2/3器件支持1V信號，可實現帶外信號功能集成，無需外部GTL收發器。當芯片運行時，設計工程師可使用萊迪思軟件包中的Reveal工具調試控制PLD電路。該工具在PC上運行，可用作監視和捕獲各種狀態的邏輯分析器以追溯故障事件。例如，使用Reveal調試工具，設計工程師能夠捕獲許多導致故障狀態的事件信息（包括寄存器、節點和引腳狀態），并將其顯示在PC顯示器上。這可以顯著減少系統電路板的調試用時。

圖2：基于MachXO2/MachXO3的控制PLD

無中斷更新I/O

控制PLD能夠幫助設計工程師顯著加速產品上市進程，在有限時間內滿足市場對于全新定制硬件的需求的壓力。有時候，在實現控制功能時會出現bug或系統整體結構需要的新功能。這時，對設計進行修改的一種常用方法是通過在系統更新、系統電源重新上電、載入經過重新編程的鏡像來實現。這種方法需要進行電源復位，會中斷整個服務器硬件的運行，降低可用性。為了確保高可用系統的連續運行，MachXO3器件可以保持I/O狀態不變，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）

為了實現零停機更新，MachXO2/MachXO3器件通過“后臺更新”將新的配置數據加載到配置閃存中。一旦加載完畢，“TransFR”指令將新的PLD鏡像文件從配置閃存傳輸到PLD的配置SRAM。執行“TransFR”指令的同時觸發了“保持當前狀態”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，狀態機將開始重新啟動電源管理并復位電源分配。這將導致電源關斷，迫使電路板開始電源上電過程。

當新鏡像創建的狀態機進行初始化時，系統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？為了使得關鍵I/O在初始化過程中保持原狀，萊迪思為每個關鍵的I/O添加了一個鎖存MUX。它在狀態機初始化過程中將輸出保持為最后的已知狀態，并在初始化過程完成之后將輸出控制交還給狀態機。該電路能夠使用“Hitless_IO_Enable”輸入區分正常（上電）啟動和重新配置，可避免在正常的上電過程中發生關鍵輸出I/O值被鎖死的情況。

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

PLD的便利性和成本優勢使其成為實現在系統設計更新、電源管理、監控和控制關鍵信號以及基本內務管理功能的理想選擇。