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06-17
简介 服务器有多种不同类型：从机架式、刀片式和塔式到用于高密度计算的模块化配置类型。
理想情况下，每个服务器都应该进行优化以执行特定任务。
然而，仔细观察就会发现，大多数服务器设计都有许多共同的特征。
通常，它们具有多个处理器和热插拔内存、通过 PCIe 连接到 CPU 和 PCH 的各种外设，以及安全服务和电源管理解决方案，仅举几个常见功能。
尽管设计工程师针对不同的应用创建了不同的解决方案，但大多数情况下他们都是在定制基本的服务器架构。
图 1 显示了这种常见架构。
通常，服务器设计工程师会定制此基础设施以满足不同市场的需求。
外围硬件模块、系统级接口模块、BMC 接口和其他关键组件可能因服务器设计而异。
电源管理、控制和粘合逻辑功能块（图中的功能#1）在定制设计以满足特定应用要求方面发挥着关键作用。
设计工程师需要为每种服务器类型定制功能，例如电源管理、特定于板的粘合逻辑或 I/O 扩展。
尽管功能#1对CPU、硬盘或网络等任何承载流量不发挥作用，但它对于确保板上所有主要部件都在正常范围内运行是必不可少的。
设计工程师不断努力降低实现这些功能的成本和复杂性，同时又不影响电路板的可靠性。
本文讨论了在遗留服务器设计中实现功能 #1 的传统方法，并将其与使用 PLD 集成这些功能的现代服务器设计方法进行了比较。
此外，本文还讨论了使用其他集成可编程器件来实现服务器中的其他常见功能，以降低复杂性和成本。
图 1：带有 8 个 PLD 功能插图的服务器设计框图（设计示例） 功能 #1 - 电源管理、控制和粘合逻辑功能 以前，设计工程师通常使用各种不同的分立元件来实现电源管理、控制等胶合逻辑功能。
多年来，这一直是一种具有成本效益的方法。
然而，随着服务器设计变得越来越复杂并且功能越来越多，这种设计需要越来越多的设备。
现在，如果设计工程师要为多种类型的服务器设计功能＃1，则使用分立组件将需要大量时间和精力。
例如，如果电路板上复杂SoC器件的数量发生变化，那么电源、胶合逻辑和其他控制功能的数量也必须相应变化。
这很可能需要改变逻辑和基本时序。
因此，采用分立元件的解决方案不仅会减慢新服务器硬件产品的推出速度，而且随着所需元件数量的增加，还会导致成本上升。
此外，设计的改变有时需要重新加工整个电路板，从而进一步推迟项目并增加成本。
现代服务器系统通常将功能 #1 集成到非易失性 PLD 中。
PLD 将在板子上电后立即开始工作（即时启动）。
通常，实现功能 #1 所需的逻辑资源和 I/O 量取决于服务器类型。
因此，提供丰富的 I/O 和逻辑资源选择的 PLD 器件是实现功能 #1 的理想选择。
Lattice MachXO3 FPGA系列和上一代MachXO2系列（简称MachXO2/3）可以提供所需的功能。
MachXO2/3 器件是非易失性 PLD，支持即时启动，提供 LUT 到 LUT 以及 22 个 I/O 到各个 I/O 设备选项。
这些 PLD 可以在系统中透明地更新，并提供双引导支持以从任何系统更新错误中恢复。
这些设备仅需要 3.3V 电源即可运行。
当电源电压高于2.2V时，服务器主板电源管理算法开始工作。
因此，MachXO2/XO3是板上第一个上电的设备，也是最后一个下电的设备。
这些器件支持多个 I/O Bank，并且可以独立通电或断电，而不影响其他模块的操作。
这一优势使它们能够集成异构功能，例如多电源块控制、带外信令和电源待机控制。
借助这些器件，设计工程师还可以在传统设计中添加SPI、I2C和定时器/计数器接口，并支持多次可编程片上配置闪存。
这些先进器件采用 5mm&mes;5mm QFN 和 BGA 封装以及 1mm 和 0.80mm 引脚间距选项。
功能 #1 集成到控制 PLD (MachXO2/3) 在图 2 中，MachXO2/3 器件用于实现控制 PLD 功能，例如电源/复位排序、各种类型的串行总线（I2C、 SPI、eSPI、SGPIO 等）、调试端口、LED 驱动器、风扇 PWM 驱动器、前面板开关感应以及其他通用 GPIO 功能。
MachXO2/3 器件支持 1V 信号，无需外部 GTL 收发器即可集成带外信令功能。
当芯片运行时，设计工程师可以使用Lattice软件包中的Reveal工具来调试和控制PLD电路。
该工具运行在PC上，可以用作逻辑分析仪来监视和捕获各种状态以追溯故障事件。
例如，使用 Reveal 调试工具，设计工程师可以捕获有关导致故障状况的许多事件的信息（包括寄存器、节点和引脚状态）并将其显示在 PC 监视器上。
这可以显着减少调试系统板所花费的时间。
图2：基于MachXO2/MachXO3的Control PLD I/O不间断更新 Control PLD可以帮助设计工程师显着加快产品上市进程，在有限的时间内满足市场对新定制硬件的需求压力。
有时，在实现控制功能时会出现错误，或者整个系统结构需要新功能。
此时，对设计进行更改的常见方法是在系统更新、系统电源周期等期间加载重新编程的映像。
此方法需要电源重置，这会中断整个服务器硬件的运行并降低可用性。
为了确保高可用性系统的连续运行，MachXO3 设备可以在刷新配置和初始化新配置的同时维护 I/O 状态。
此功能称为无中断更新 I/O。
图 3：无中断更新 I/O 的工作原理 无中断更新 I/O 的工作原理（图 3） 为了实现零停机更新，MachXO2/MachXO3 设备使用“后台更新”来进行新更新配置数据被加载到配置闪存中。
加载后，“TransFR”指令将新的 PLD 映像文件从配置闪存传输到 PLD 的配置 SRAM。
当执行“TransFR”指令时，会触发“保持当前状态”功能，以确保所有I/O值在传输过程中保持不变。
最后，在“逻辑初始化”步骤中，状态机将开始重新启动电源管理并重置电源分配。
这将导致电源关闭，迫使电路板开始加电过程。
当新镜像创建的状态机初始化时，系统如何保持用于控制电源和其他逻辑信号的输出不变？为了在初始化期间保持关键 I/O 完好无损，莱迪思为每个关键 I/O 添加了锁存 MUX。
它在状态机初始化过程中将输出保持在其最后已知状态，并在初始化过程完成后将输出的控制权返回给状态机。
该电路能够使用“Hitless_IO_Enable”输入区分正常（上电）启动和重新配置，从而避免了正常上电期间关键输出I/O值被锁定的情况。
这个新功能的优点是显而易见的。
它使制造商能够立即进行配置更改，以立即纠正设计缺陷或为产品添加新功能。
它还可以在产品开发过程中发挥重要作用，使设计工程师能够在服务器安装过程中快速调试产品或在调试过程中更改特定产品参数。
PLD 的便利性和成本优势使其成为实现系统设计更新、电源管理、监视和控制关键信号以及基本内务处理功能的理想选择。
功能 #2 - 启用磁盘热插拔所需的逻辑功能 机架服务器支持 HDD/FD/NVMe 驱动器热插拔。
这些磁盘驱动器插入背板。
背板通过SGPIO、I2C等串行接口与主板连接。
设计工程师可以使用 MachXO2/3 器件集成逻辑功能（如图 4 所示）以实现背板控制。
例如，当 NVMe 驱动器插入驱动器插槽时，MachXO2/3 设备中的逻辑会自动将状态和控制信号发送到 I2C 总线，而不是 SGPIO 总线。
图 4：使用 MachXO2/MachXO3 PLD 来简化使用热插拔驱动器的背板控制功能 特性 3 - 主机总线适配器板的硬件管理 莱迪思 MachXO2/3 器件的另一个潜在应用是集成主机总线适配器控制逻辑。
如图 5 所示，该解决方案集成了 SGPIO 和其他带外信号来管理电源/复位排序和其他 PLD 功能，包括快速电源故障检测和状态保存。
设计人员还可以在现场实时向 MachXO2/3 器件中实现的逻辑添加功能并修复错误，而无需通过对 I/O 功能和 I2C 接口进行无中断更新来中断系统运行。
图 5：集成主机总线适配器逻辑功能 #4 - 电压电流和温度遥测 通常，系统会连续测量许多重要的电源电压、电路板和设备温度以及电流负载。
为了测量这些参数，服务器主板使用模数转换器IC来增加BMC、外部温度感测IC和电流感测IC所需的通道数量。
此外，该板还使用 I2C 缓冲器 IC 和 I2C 多路复用器 IC 来管理遥测 I2C 总线（图 6）。
电路板上的DC-DC转换器用于给IC供电，并受控制PLD器件的控制。
控制 PLD 还监控来自 DC-DC 转换器的“电源正常”数字信号。
设计工程师可以使用莱迪思的 ASC（模拟传感和控制）器件与控制 PLD 来集成 ADC IC 和一些温度传感 IC。
同时，该设备将“Enable”和“Power-Good”信号从控制PLD传输到ASC设备。
这样做可以释放对 PLD 上 I/O 的控制，然后可以使用 PLD 来集成 I2C 缓冲器和 I2C 多路复用器 IC。
降低了遥测电路的总体成本和BOM。
此外，通过检测电源电压的“Power-Good”状态以及断电状态，ASC还有助于提高断电排序的可靠性并最大限度地减少电路板拥塞。
图 6：遥测集成的新方法 功能 5 - Bios 和 BMC 固件验证 为了启用 BIOS 和 BMC 固件验证，MachXO2/3 设备可用作信任根（图 7）安全硬件。
在此配置中，设备实施椭圆曲线签名身份验证来验证系统 BIOS 和 BMC 固件。
它们还可用于在正在运行的映像受到损害时管理自动黄金映像切换。
图 7：基于 MachXO2/3 的解决方案，用于管理和验证 BIOS 和 BMC 固件 功能 6 - PCH 上的 TPM/TCM 与单个 SPI 接口之间的桥接 Lattice 的 MachXO2/3 器件提供各种桥接解决方案。
例如，服务器设计工程师可以使用这些设备将 PCH SPI 接口与同一硬件上的 TPM 模块（在中国境外使用）或 TCM 模块（在中国使用）连接（图 8）。
该电桥可以适应各种输入和输出工作频率。
图 8：用于 TCM 的 LPC 至 SPI 桥接器功能 #7 - 在扩展卡上集成多种功能 服务器通常使用扩展卡来添加 LED 驱动器、控制和传感功能，以减少主板上的设备数量连接数。
通常，这些功能是使用分立逻辑 IC 来实现的，这需要多种类型的扩展卡，每种扩展卡的功能略有不同。
减少所需扩展卡类型的一种方法是将每个扩展卡的功能集成到 MachXO2/3 PLD 上。
然后，只需在制造过程中修改集成到 MachXO2/3 器件中的逻辑即可定制扩展卡逻辑功能。
功能 #8 - 多个 I2C 缓冲区的整合 服务器系统中的 CPU 通过一对 I2C 缓冲区与 DDR 内存 DIMM 进行通信（图 9）。
CPU 还通过另一个 I2C 接口监控 SSD 驱动器。
设计工程师需要使用电压转换器缓冲器将CPU的1.05 V I2C接口转换为1.2 V DDR内存和3.3 V SSD驱动器。
CPU 还使用 1.05 V 逻辑信号生成多个带外信号。
这些带外逻辑信号需要使用 2.5 V 或 3.3 V 信号接口与其他设备进行通信。
这需要在板上使用 GTL 缓冲区。
低成本的MachXO3器件采用小型QFN封装（5毫米x 5毫米），可用于实现涵盖1.05 V I2C和其他1.2 V、3.3 V和2.5 V逻辑信号的电平转换。
这减少了电路板面积、BOM，更重要的是，减少了实施成本。
图 9：MachXO2/O3 1V I/O 支持 I2C 缓冲区集成摘要 当今的服务器设计工程师总是试图像 20 年前的工程师一样，以快速且经济高效的方式在板上集成更多功能。
一个经常被忽视的重要方法是控制 PLD。
控制 PLD 将为设计工程师提供一种将所有控制路径功能集成到单个可编程器件中的简单方法，并通过添加新功能使设计工程师能够在现场进行设计修改，从而大大简化电路板设计和调试。
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