IPMI 在VPX 系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

朱紅育 李 郁 付學(xué)斌

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著工業(yè)控制、信號處理和國防等領(lǐng)域?qū)偩€帶寬、傳輸實(shí)時(shí)性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的VME、CPCI 等并行總線標(biāo)準(zhǔn)逐漸力不從心，VPX 作為一種基于高速串行總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)悄然興起。除了引入了目前最新串行總線技術(shù)以支持更高的背板帶寬外，VPX 還引入了智能平臺管理接口(IPMI)，用以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供系統(tǒng)的可靠性。本文對智能平臺管理接口IPMI 的功能做了詳細(xì)的介紹，給出了智能平臺管理接口在VPX 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法。

1 智能平臺管理接口介紹

IPMI (智能平臺管理接口)是一種開放標(biāo)準(zhǔn)的硬件管理接口規(guī)格，定義了嵌入式管理子系統(tǒng)進(jìn)行通信的特定方法。用戶可以利用IPMI 監(jiān)視服務(wù)器的物理健康特征，如溫度、電壓、風(fēng)扇工作狀態(tài)、電源狀態(tài)等。

自誕生以來智能平臺管理接口IPMI 已經(jīng)得到了多家供應(yīng)商的支持，這使得其逐漸成為了一個(gè)完整地包括服務(wù)器和其他系統(tǒng)(如存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備)的硬件管理規(guī)范，在服務(wù)器以及基于ATCA(高級通信計(jì)算機(jī)架構(gòu))的電信設(shè)備中的到了廣泛的應(yīng)用［1］。

基于IPMI 的智能平臺管理系統(tǒng)的主要組件如圖1 所示［2］。

a.分布式管理控制器——管理和監(jiān)控系統(tǒng)中每個(gè)FRU(現(xiàn)場可更換單元)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，包括ChMC(機(jī)框管理器)和IPMC(板載智能平臺管理控制器)。

b.IPMI 其他輔助功能部件——提供在分布式控制單元間以及與系統(tǒng)的總控制單元間的通信、管理和控制功能，如IPMB(智能平臺管理總線)接口和IPMI 以太網(wǎng)接口。

c.單板的基于TCP/IP 的高層管理服務(wù)，如:遠(yuǎn)程啟動、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理、遠(yuǎn)程磁盤服務(wù)和遠(yuǎn)程管理控制協(xié)議(RMCP)［3］。

ChMC 負(fù)責(zé)系統(tǒng)機(jī)框內(nèi)所有單板的上下電控制、溫度和電壓監(jiān)控信息的記錄和告警、單板運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)、風(fēng)冷風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制等功能。

IPMC 是FRU 上的管理控制器，主要職責(zé)是管理FRU(包括上電、復(fù)位、電壓溫度監(jiān)控等)、收集FRU 上的關(guān)鍵事件。

IPMC 和ChMC 之間的數(shù)據(jù)鏈路是兩條IPMB(I2C)總線，采用冗余的雙總線乒乓傳輸架構(gòu)大大提高了該數(shù)據(jù)鏈路的可靠性。

FRU 是現(xiàn)場可更換單元的總稱，現(xiàn)場可更換的板卡、冷卻風(fēng)機(jī)盤等均可稱之為FRU。

圖1 IPMI 智能平臺管理系統(tǒng)組成框圖

IPMI 基本工作原理如下:

IPMI 一般使用獨(dú)立的電源供電，且先于系統(tǒng)功能電路上電，板載IPMC 上電后，先獲取單板位置信息(槽位號)，然后通過兩條IPMB 總線向ChMC 發(fā)送單板信息及上電請求。

ChMC 在對單板信息進(jìn)行確認(rèn)后，向各單板依次發(fā)送上電命令。

各單板IPMC 接收到上電命令后，控制本板負(fù)載進(jìn)行上電，同時(shí)開始監(jiān)控單板電壓、溫度并通過專用串行接口從CPU 獲取單板工作狀態(tài)。

當(dāng)單板電壓、溫度或工作狀態(tài)不正常時(shí)IPMC發(fā)送告警到ChMC。同時(shí)響應(yīng)ChMC 的查詢命令，將本板電壓、溫度及工作狀態(tài)等信息上報(bào)給ChMC。

ChMC 可以通過網(wǎng)絡(luò)接收來自上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的查詢請求，并向各單板IPMC 下發(fā)溫度、電壓、工作狀態(tài)等查詢請求，自動向上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上報(bào)系統(tǒng)告警信息同時(shí)記錄系統(tǒng)工作日志。

2 IPMI 在VPX 系統(tǒng)中的應(yīng)用

VPX 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)也引入了IPMI 智能平臺管理接口，在P0 端子上預(yù)留了SM1——SM4 四個(gè)單端信號給兩路IPMB 總線使用。

圖2 給出了IPMI 在VPX 系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖。

圖2 IPMI 在VPX 系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖

考慮到ChMC 在IPMI 中的重要性，ChMC 設(shè)計(jì)多采用1 +1 冗余備份機(jī)制以提高IPMI 系統(tǒng)的可靠性。兩個(gè)ChMC 單元上電后通過主備競爭機(jī)制確認(rèn)各自工作狀態(tài)，同時(shí)通過心跳信息相互檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)對端工作異常時(shí)向其發(fā)送硬復(fù)位信號，并自動進(jìn)行主備切換，確保IPMI 系統(tǒng)能夠正常工作。

ChMC 在物理上可以是兩塊獨(dú)立的板卡，也可以是系統(tǒng)主控交換板卡上的獨(dú)立電路(主控交換板卡大都數(shù)情況下也采取1 +1 冗余備份的方法提高系統(tǒng)可靠性)。

板載IPMC 是各VPX 單板上的一個(gè)獨(dú)立的電路單元，采用背板3.3V-AUX 進(jìn)行供電。

2.1 IPMB 總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

IPMB 總線采用了I2C 通信技術(shù)，定義在P0 端子的四個(gè)單端信號端子SM1-SM4 上，鑒于I2C 總線的固有特點(diǎn)，雖然采用了冗余的乒乓通信方式，總線鎖死的現(xiàn)象仍無法避免，因此設(shè)計(jì)中需要注意如下方面:

a.總線隔離及熱插拔功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)IPMI 規(guī)范，IPMB 總線具有熱插拔功能，因此設(shè)計(jì)選用Linear 公司的LTC4307，該芯片是一顆專用的I2C 雙向隔離緩沖器，提供了上升時(shí)間加速器從而降低負(fù)載過重的總線上升時(shí)間，1V 預(yù)充電壓以降低總線干擾，還具備總線鎖死自動檢測和恢復(fù)功能［4］。

b.總線驅(qū)動能力計(jì)算

I2C 信號最大的容性負(fù)載能力為400pF，因此必須對IPMB 的負(fù)載能力進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。根據(jù)容性負(fù)載選擇合適的上拉電阻，以保證總線的驅(qū)動能力［5］。

對于一個(gè)單板來說，容性負(fù)載包括以下幾個(gè)部分:

· 到背板的連接器容性負(fù)載:2pF

· 連接器PCB 通孔容性負(fù)載:1pF

· 引線和過孔容性負(fù)載:9pF

· I2C 驅(qū)動器:10pF

此外背板走線的容性負(fù)載也需要考慮在內(nèi)。

在背板上通過計(jì)算好的上拉電阻，將IPMB 總線上拉到3.3V-AUX 電源，單板的插拔不會影響到總線的驅(qū)動能力。

c.總線鎖死預(yù)判和處理

I2C 總線的鎖死根據(jù)原因可分為兩種情況，即:從設(shè)備未響應(yīng)導(dǎo)致總線鎖死或主設(shè)備故障導(dǎo)致總線鎖死。

在硬件上每個(gè)接入IPMB 總線的節(jié)點(diǎn)板卡都設(shè)計(jì)了LTC4307 隔離緩沖器，當(dāng)該器件檢測SCL 或SDA 信號線保持常低30ms 以上時(shí)，會自動將節(jié)點(diǎn)板卡從總線上斷開，同時(shí)向板卡側(cè)發(fā)送16 個(gè)SCL時(shí)鐘以及一個(gè)Stop 信號，從而使總線恢復(fù)正常狀態(tài)。

在軟件上，也應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測和預(yù)判機(jī)制，以保證IPMB 總線的穩(wěn)定工作。

IPMC 單元一旦檢測到無法從IPMB 總線上獲取到心跳信息，立即控制LTC4307 將本板卡從IPMB 總線上斷開，記錄故障告警信息，再復(fù)位I2C控制器，重新打開LTC4307 嘗試與ChMC 進(jìn)行通信，如果依然失敗，將板卡從總線上斷開，并點(diǎn)亮告警指示燈提示人工干預(yù)。

ChMC 單元監(jiān)測所有板卡的心跳信息(包括冗余ChMC)，當(dāng)檢測到某一板卡的IPMB 心跳信息丟失，而其他板卡的心跳信息正常時(shí)，確認(rèn)該板卡拔出或故障，記錄并上傳告警信息。當(dāng)檢測到所有心跳信息丟失時(shí)，確認(rèn)本板故障，立即控制LTC4307 將本板從IPMB 總線上斷開，記錄故障告警信息，再復(fù)位I2C 控制器，重新打卡LTC4307 嘗試與其他板卡進(jìn)行通信，如果依然失敗，將板卡從總線上斷開，并點(diǎn)亮告警指示燈提示人工干預(yù)。

2.2 機(jī)框管理單元ChMC 設(shè)計(jì)

IPMI 設(shè)計(jì)的應(yīng)依據(jù)如下原則:

a.低功耗——VPX 系統(tǒng)提供給每槽位IPMI 模塊的3.3V-AUX 電源功耗小于1A;

b.硬件一體化設(shè)計(jì)——節(jié)省為系統(tǒng)功能部分電路節(jié)省PCB 面積，同時(shí)低復(fù)雜度的硬件設(shè)計(jì)降低硬件故障風(fēng)險(xiǎn);

c.軟件設(shè)計(jì)簡單化以降低軟件故障風(fēng)險(xiǎn)，保證IPMI 部分軟件具有極高的可靠性;

依據(jù)上述原則，ChMC 硬件電路應(yīng)滿足如下需求:

a.具備2 路I2C 接口連接到兩路背板IPMB總線。

b.具備2 路UART(通用異步串口)接口，1 路用作和功能單元CPU 進(jìn)行通信，以獲取板卡運(yùn)行狀態(tài)信息，1 路用作調(diào)試接口。

c.具備多通道ADC 模塊，用以對功能電路各供電電源進(jìn)行監(jiān)測。

d.具備LAN(以太網(wǎng))通信接口，用以連接遠(yuǎn)端PC 接受上位系統(tǒng)管理系統(tǒng)控制。

e.具備豐富的GPIO 資源，用以控制功能電路上下電、復(fù)位、槽位信息獲取、單板溫度監(jiān)控等功能。

f.具備看門狗電路，以增加系統(tǒng)軟件的可靠性。

TI公司的ARM CortexTM-M3處理器LM3S6918，單芯片即可滿足上述功能，該處理器運(yùn)行速率最高可達(dá)50M，集成了RTC、看門狗功能，對外接口十分豐富，具備2 路I2C 接口，2 路UART 接口，集成10/100 以太網(wǎng)MAC 和PHY，最多可達(dá)38個(gè)GPIO，集成8 通道12 位ADC，典型功耗僅為100多毫安。

ChMC 的具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3 所示。

由于ChMC 負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)框的管理，所以ChMC應(yīng)是整個(gè)系統(tǒng)中可靠性最高的組件之一。除了在軟硬件設(shè)計(jì)上注重其可靠性設(shè)計(jì)外，大多數(shù)設(shè)計(jì)中均采用主備冗余設(shè)計(jì)方案來進(jìn)一步提高該單元的可靠性。而競爭電路是主備冗余設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，下面給出一種ChMC 主備競爭電路的實(shí)現(xiàn)方法(見圖4)。

圖3 機(jī)框管理單元ChMC 實(shí)現(xiàn)框圖

圖4 ChMC 主備競爭電路

具體工作原理如下:

ChMC 上電工作后，先獲取槽位號，接著發(fā)出對板OE 關(guān)閉信號，然后獲取本板主備狀態(tài)信息。

當(dāng)兩個(gè)單板先后(插入機(jī)框)上電時(shí)，后上電單板上的245 使能信號OE 會被先上電的單板關(guān)閉，同時(shí)它發(fā)出的對板OE 關(guān)閉信號被本板245 隔離掉了，因此后上電的單板讀取的主備狀態(tài)為“1”，即備用狀態(tài)。先上電的單板245 使能端默認(rèn)有效，讀取的主備狀態(tài)為“0”，即主用狀態(tài)。

當(dāng)兩個(gè)單板已經(jīng)在機(jī)框內(nèi)并同時(shí)上電時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)默認(rèn)某一槽位為主用ChMC，軟件設(shè)計(jì)時(shí)將根據(jù)槽位號在輸出對板OE 關(guān)閉信號時(shí)做不同的延遲，默認(rèn)備用的ChMC 在發(fā)出對板OE 關(guān)閉信號時(shí)會延遲若干微秒，以保證主用ChMC 先工作。

IPMI 正常工作時(shí)，主備ChMC 定期互發(fā)心跳消息，同時(shí)監(jiān)控各單板IPMC 發(fā)出的心跳消息，當(dāng)備用ChMC 發(fā)現(xiàn)無法接收到主用ChMC 心跳消息，而又能監(jiān)控到各IPMC 心跳消息時(shí)，即可確認(rèn)主用ChMC故障，發(fā)出主用ChMC 復(fù)位信號，將其復(fù)位，主用ChMC 復(fù)位后會釋放對板OE 關(guān)閉信號，同時(shí)會接收到備用ChMC 發(fā)出的OE 關(guān)閉信號，備用ChMC 輪訓(xùn)到主備狀態(tài)變?yōu)椤?”時(shí)，切換至主用狀態(tài)，原主用ChMC 則會檢測到主備狀態(tài)指示變?yōu)椤?”，并據(jù)此切換本板至備用狀態(tài)。

ChMC 復(fù)位過程中會自動通過I2C 隔離器件將自己從IPMB 總線上隔離，復(fù)位完成后再接入IPMB總線。

主備競爭的信號在VPX 連接器中用戶自定義的單端信號上實(shí)現(xiàn)。

2.3 板載IPMC 設(shè)計(jì)

板載IPMC 和上述ChMC 相比較，最大的區(qū)別在于IPMI 管理層軟件的設(shè)計(jì)，二者的硬件設(shè)計(jì)基本相似，具體可參見ChMC 單元進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

板載IPMC 除了監(jiān)控本板電壓、溫度信息外，還需要獲取本板功能電路的運(yùn)行狀態(tài)，將功能電路的故障機(jī)告警信息上報(bào)到ChMC。功能電路狀態(tài)的監(jiān)控一般由本板CPU 進(jìn)行，通過專用串行串口將監(jiān)控信息上報(bào)給IPMC［6］。當(dāng)ChMC 作為一個(gè)硬件單元集成在某一功能板卡上時(shí)，也實(shí)現(xiàn)上述功能。從可靠性和成本的角度出發(fā)，大多數(shù)設(shè)計(jì)中均依據(jù)IPMI規(guī)范簡化設(shè)計(jì)，因此IPMC 在設(shè)計(jì)上不考慮以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)，也沒有主備冗余設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

本文針對VPX 系統(tǒng)管理的具體應(yīng)用，介紹了IPMI 的一些基本功能，著重描述了IPMI 在VPX 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)示例，該方案以低功耗ARM 處理器為核心，即可以用作ChMC 電路的設(shè)計(jì)也用作板載IPMC 的設(shè)計(jì)，僅需要在軟件上做相應(yīng)的改動即可，此外還引入了ChMC 1 +1 冗余設(shè)計(jì)的概念，具有良好的靈活性和很高的可靠性。

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