（电路与系统专业论文）热插拔控制芯片的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要x7 4 570 9随着即插即用概念的日益普及和即插即用设备的应用日趋广泛，对热插拔控制芯片的市场需求越来越大，此类芯片的研究开发已引起业界的广泛关注。然迄今为止，该类芯片的核心技术仍掌握在少数国外大公司手中。因此，对热插拔控制芯片的研究开发有重要意义。本文在分析了解当前热插拔技术的发展现状与趋势的基础上，提出一种热插拔控制芯片的设计并予以电路与版图实现。针对此类电路要用到数模混合及功率集成的特点，芯片设计采用了具有特色的a b c d 工艺，在版图实现中充分考虑各种因素的影响，从整体到模块的设计，处处体现了电路与工艺的结合。通过s p e c t r e 仿真，证明所设计电路的性能指标已达到设计要求，具有一定的先进性和实用性。其特点是稳定性好、可靠性高、工艺性好，能够在比较大的电源电压和环境温度变化范围内正常工作。由于充分考虑了工艺误差，电路可在给定的工艺误差范围内正常工作，各项指标均达到预定要求。在版图设计中全面考虑了热源、大电流、数字噪声和高频噪声影响等因素，采用了“等比例复制”、交叉对称，合理设置隔离环等一系列措施提高器件的匹配性，改善器件工作的稳定性，并且设置了微调电阻以提高精度。所设计的版图文件已通过d r c 、e r c和l v s 验证，并已交付流片验证。由于解决了模拟与数模混合集成电路尤其是功率集成电路设计中的一些技术难点问题，包括数字模块与模拟模块的兼容问题，耐压问题等，设计得到了国外合作伙伴的认可。其中主要电路模块的设计及版图设计中的成功处理可望应用于其它电源管理集成电路的设计，为此类芯片的开发提供成功的经验。关键词：热插拔控制、a b c d 、工艺a b s t r a c tr e c e n t l nt h eh o t - s w a pt e c h n i q u eh a sg o tm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si nm a n yi n d u s t r i e sa n di t sm a r k e td e v e l o p sv e r y ：f a s t ，w h i c hp r o d u c e sl a r g ed e m a n d so fh o t s w a pc o n t r o l l e ri c s h o w e v e la l m o s ta l lo ft h ep r o d u c t si nt h ed o m e s t i cm a r k e ta r eh e l db yf o r e i g ni cc o m p a n i e s i ti so fi m p o r t a n c ef o ru st od e v e l o ph o t - s w a pc o n t r o l l e ri c sw i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i nt h et h e s i s ，ah o t - s w a pc o n t r o l l e ri cw a ss u g g e s t e db a s e do na n a l y s i so ft h ed e v e l o p m e n to ft h eh o t - s w a pt e c h n i q u e a n di t sc i r c u i ta n dl a y o u td e s i g nw a sc o m p l e t e d a si ti sat y p i c a la n a l o ga n dm i x e ds i g n a lp o w e ri c ，t h es p e c i a lp r o c e s s ，a b c d15 0 ，w a si n t r o d u c e dt h a tw a se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o ro ft h ec h i p sw o r k i n gu n d e rh i g hv o l t a g ea n dl a r g ec u r r e n tc o n d i t i o n s t h ei cw a sa c c o m p l i s h e db a s e do nt h i sp r o c e s sa n dm a n yi n f u e n c e sw e r ec o n s i d e r e di nt h ef l o o r p l a na n dl a y o u td e s i g n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i tm e tt h es p e c i f i c a t i o n ss u c c e s s f u l l y i th a sh i g hs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t ya n dc a nw o r kp r o p e r l ya n de f f i c i e n t l yi naw i d er a n g eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n ds u p p l yv o l t a g ev a r i a t i o n m u c ha t t e n t i o nw a sp a i do nf l o o r p l a na n dl a y o u ti n c l u d i n gi n f l u e n c ef r o mh e a t ，l a r g ec u r r e n t ，d i g i t a ln o i s ea n dh i g hf r e q u e n c yn o i s e t oi m p r o v em a t c h i n go fd e v i c e sa n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，s o m es p e c i a lc o n s i d e r a t i o nw a se m p l o y e ds u c ha si d e n t i f yc o p y , c r o s s - c o u p l i n g ，a d d i n gg u a r dr i n g ，e t c i t sl a y o u ti ss i g n e do f ft ot h ef o u n d r yt ob et a p e d - o u ta n dt e s t e d t h ed e s i g ni sr e c o g n i z e db yf o r e i g np a r t n e r sf o rs e t t l i n gs o m et e c h n i c a lp r o b l e m si np o w e ri cs u c ha sc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nd i g i t a la n da n a l o gm o d u l e s ，v o l t a g er e s i s t a n c e a n de x p e r i e n c ei nc i r c u i td e s i g na n dl a y o u tc a nb er e f e r e n c e di no t h e rp o w e rm a n a g e m e n ti c s k e y w o r d s ：h o t s w a pc o n t r o l l e r ；a b c d15 0 ；p r o c e s si i浙江大学硕： 学位论文第一章绪论随着计算机技术和应用的发展，计算机在公司、企业中的应用越来越广泛，工作中越来越离不开电脑，机器的使用也越来越频繁，此外，很多重要数据也已经放在网络上，实际上就是将企业的业务建筑在网络上了。此时，对于网络的可靠性、可用性就已经从一个技术实现问题升级成为一个企业可运作问题了。举一个例子来说，如果有一天发现公司局域网服务器上的共享打印机突然出了问题，重装驱动也装不上，系统根本不能识别出打印机。用万能表测量打印口和主板上连接点的电压，也没有发现问题。那么很有可能就是由于某位员工在开机状态下热插拔打印机，从而导致主板的并口烧坏，解决办法只有更换主板。很多人都会犯同样的错误，经常不去注意打印机、键盘、鼠标等设备是否支持热插拔，而且经常会带电作业。其实，软驱接口、i d e 接口、p s 2 接口、串并口等都是由i 0 芯片控制的。这些设备有可能不支持热插拔。如果强行带电操作，很有可能出现端口正常，但是芯片功能全部丧失的状况，也就是导致了键盘、鼠标、串口和并口全部失灵的现象。因此，为了工作方便以及提高效率，有效的热插拔功能是亟需的。目前，许多公司( t i 、a d 、m a x i m 、l i n e a r 、c y p r e s s ) 都推出了针对不同用途的热插拔控制器和支持热插拔功能的各类控制、接口芯片。至今这些控制器和芯片成功地在计算机板卡、磁盘冗余阵列、计算机外设测试台、限流器、网络路由器、远程接入服务器、网络交换器、i s d n 等中得到了广泛的应用。但是在微机通用外设、接口方面的应用还跟不上市场的需求，特别给计算机外设生产厂家、电脑销售维护商在外设的在线测试、维修方面带来不便，造成工作效率下降。另外，目前的热插拔设备售价较高，不易推广普及。因此可以认为，根据我国电子信息产业发展和市场的要求，研究开发超大规模集成电路设计业急需的、具有良好应用前景的热插拔控制芯片，对于促进我国集成电路产业的发展，具有十分重要的现实意义。本章作为绪论部分，主要论述以下几方面内容：国内外相关技术的背景及现状世界热插拔控制芯片的分类和市场浙江大学硕士学位论文热插拔控制芯片的发展趋势本文的选题意义及研究内容第一节国内外相关技术的背景和现状目前服务器的技术热点主要有：i r i s ( ；与c i s c 技术、处理器技术、多处理器技术( a m p 技术、s m p 技术、m p p 技术、c o m a 技术、集群技术和n u m a 技术) 、s c s i接口技术、智能i 0 技术、容错技术、磁盘阵列技术、热插拔技术、双机热备份。服务器在网络中承担传输和处理大量数据的任务，要具备高可伸缩性、高可靠性、高可用性和高可管理性。i a 一6 4 体系将带动服务器技术特性的提高，如高性能c p u 、多处理器技术、总线和内存技术、容错技术、群集技术、硬件管理接口、均衡服务器平台技术等。热插拔控制技术是近几年的新兴技术，它成功地限制了板卡、外设从加电主板插入、拔出时产生的瞬间大电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、主板电源跌落等问题，为板卡、外设的热插拔应用提供了有效的控制和保护方案。并且允许用户在无须关掉服务器或者暂停应用的同时在线升级、更改、添加p c i 适配卡，目前的热插拔技术已经可以支持硬盘、电源、扩展板卡的热插拔，而系统中更为关键的c p u 和内存的热插拔技术也已日渐成熟，未来热插拔技术的发展将会促使服务器系统的结构朝着模块化的方向发展，大量的部件都是可以通过热插拔的方式进行在线更换的。本文关注的重点与上述的热插拔技术略有不同，主要考虑热插拔保护技术，也就是利用热插拔控制芯片来实现对器件、主板的保护。热插拔控制芯片实质上是电源管理芯片的一种，片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) 也需要智能化的电源管理模块( i p ) 。所谓电源是利用电能转换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种电对象的二次电能的系统或装置。只要用电就离不了电源。从文化娱乐、照明、办公，到医疗卫生、通讯、航天航空、海洋资源利用等现代生活的各个方面，我们都需要高性能、智能化的电源。诞生于2 0 世纪6 0 年代的电力电子技术使电源技术在近4 0 年来得到了长足的发展，特别是随着微电子技术的发展，电力电子学在近年来更是突飞猛进，已2浙江大学硕士学位论文经发展成为相对独立的学科门类。美国权威教授b k b o s e 认为：“电力电子技术在世界范围的工业文明发展种所起的关键作用可能仅次于计算机”，并将在2 1 世纪对“工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环境污染控制等方面产生巨大的推动作用”。电力电子技术的发展，使得直流开关技术广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统、宇宙探索等领域。众所周知，笨重、低效、可靠性差的电源装置已经被体积小、重量轻的高效电源所取代。而由微电子技术所实现的脉冲宽度调制( p w m )变换器则是现代高效、智能化电源的基础和核心。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性，同时减小其体积和重量，人们先后提出了谐振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、准谐振变换器( q u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 和多谐变换器( m u l t i r e s o n a n tc o n v e r t e r s ) 、零电压开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) p 1 ：l m变换器和零电流开关( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) p w m 变换器、零电压转换( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o n ) p w m 变换器和零电流转换( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o n ) p w m变换器。将微电子技术同这些新兴的电力电子技术相结合则是所谓的智能电源技术，它无疑会对电源技术带来一场革命。而热插拔控制芯片则是在计算机技术和应用的发展，网络在公司、企业中广泛应用的背景下，其作用越来越受到人们的重视。总之，热插拔控制芯片是微电子技术、网络技术和电力电子技术相结合的产物，它既推动了电力电子技术的发展，更是s o c 发展所必需的技术。以下将介绍与本文相关的技术背景：1 、热插拔系统热插拔即允许带电拔插工作单板，其最基本的目的是要求带电拔插单板而不影响系统运行，以便维修故障板或重新配置系统；热插拔技术可以提供有计划地访问热插拔设备，允许在不停机或很少需要操作人员参与的情况下，实现故障恢复和系统重新配置；热插拔技术可以提供高可靠应用，当单板出现故障时，系统在不间断运行的情况下自动隔离故障板。热插拔系统的级别由低到高分为三种：基本热插拔系统，它具有基本热插拔要求的性能；完全热插拔系统，它可以对热插拔单板进行动态配置；高可靠系统，它利用高可靠平台实现对硬件的更高级别的控制。浙江大学硕= e 学位论文要实现热插拔需要有以下几个方面支持：总线电气特性、主板b i o s 、操作系统和设备驱动。只要确定环境符合以上特定的环境，就可以实现热插拔。目前的系统总线支持部分热插拔技术，特别是从5 8 6 时代开始，系统总线都增加了外部总线的扩展，因此这方面的顾虑可以消除。从1 9 9 7 年开始，新的b i o s中增加了即插即用功能的支持，虽然这种即插即用的支持并不代表完全的热插拔支持，仅支持热添加和热替换，但这是热插拔中使用最多的技术了，所以主板b i o s这个问题也可以克服了。在操作系统方面，从w i n d o w s 9 5 开始就开始支持即插即用，但对于热插拔支持却很有限，直到n t4 0 开始，微软开始注意到n t 操作系统将针对服务器领域，而这个领域中热插拔是很关键的一个技术，所以操作系统中就增加了完全的热插拔支持，并且这个特性一直延续到基于n t 技术的w i n d o w s2 0 0 0 x p 操作系统，因此只要使用n t 4 0 以上的操作系统，热插拔方面操作系统就提供了完备的支持。驱动方面，目前针对w i n d o w sn t , n o v e l l 的n e t w a r e ，s c ou n i x 的驱动都把热插拔功能整合了进去，只要选择针对以上操作系统的驱动，实现热插拔的最后一个要素就具备了。1 1 传统的p c i 热插拔技术p c i 热插拔，即i n t e l 所支持的热插拔属性。热插拔技术允许用户在不中断系统中其它设备运营的情况下，物理拆卸或添加工业标准的外设组件互连( p c i ) 设备( ：如局域网网卡或i o 控制器等) 。在添加或拆卸的过程中，只有个别插槽会受到影响，系统将无需重启或关机。热插拔技术通常要求在不同平台层中的硬件和软件能够实现良好的互操作性，以便为用户提供可靠的热插拔功能而这也正是问题的所在。不同厂商的组件必须能够结合起来支持热插拔功能。这使得当企业工t 和数据中一t l , 经理尝试对不同服务器和适配器产：品配置( 包含定制的服务器平台) 的众多服务模式进行分类时，将可能面临极大的可维护性挑战。原因在于，不同的服务模式将导致服务复杂性的加剧和停机可能性的增加。1 2p cie x p r e s s 技术p c ie x p r e s s 技术是一种创新的高性能互连体系结构，可带来显著增强的可靠性、可用性和可维护性( r a s ) 。其中热插拔支持是r a s 的一个方面。p c ie x p r e s s专为改进热插拔能力而设计，为此在设计时包含了热插拔寄存器( 不同于4浙江大学硕士学位论文s t t p c i 0 ，其中热插拔寄存器是一种独立的功能) 。能够通过消除平台体系结构中影响可靠性和可维护性的冲突连接，帮助开发人员充分利用过去和现在的输入输“；( i 0 ) 体系结构的优势，同时继续向前发展。1 3p ci 热插拔系统具有完整功能的p c i 热插拔系统的要求包括三部分：1 ) 、服务器必须具有p c i 热插拔能力：2 ) 、必须在系统上安装支持p c i 热插拔的操作系统；3 ) 、对于每一个要实现热插拔功能的适配卡必须要求具有p c i 热插拔功能的软件驱动程序支持。如果三部分中缺少了任何一个，那么系统工作时就不具有p c i 热插拔功能。通常来说，一个完整的热插拔系统包括热插拔系统的硬件，支持热插拔的软件和操作系统，支持热插拔的设备驱动程序和支持热插拔的用户接口。见图1 1 。系统硬件特定平台厂商组件，p c i 热插拔的系统硬件包括热插拔控制器( h p c ) 和电脑基本输入输出系统( b i o s ) 以及特定插槽电源控制等，其中热插拔控制器主要是管理p c i 总线、电源、插槽的指示灯和p c i 热插拔按钮，操作系统通过此类软件与计算机的h p c 和其它平台相关组件进行通信。系统软件特定操作系统技术，m i c r o s o f t ，n o v e l l ，s c o 操作系统都支持热插拔技术。包括操作系统电源管理( 0 s p m ) 、高级配置和电源接口( a c p i ) 驱动程序、a c p i 源语言和a c p i 机器语言( p u m l ) 解释程序、以及操作系统相关应用a p i 等。其它技术独立于操作系统之上的技术，诸如a c p i ( 包括特定平台厂商代码) 等。硬件和软件控制这里有管理员插入一块适配卡到空的插槽上的典型实例，下面是系统正在运行时的操作步骤：1 、管理员打开准备安装适配卡的插槽上的释放杆，并且移去插槽上的档片2 、管理员安装适配卡到其插槽上浙江大学硕士学位论文图1 1 热插拔系统3 、管理员关闭插槽上的释放杆4 、管理员使用p c i 热插拔按钮或者软件用户接口去通知操作系统给插槽加电。当操作系统正在改变电源的状态时，绿色灯会不停闪烁5 、操作系统给插槽加电完成后，它既可以自动定位并加载适当的设备驱动程序，也可以提示管理员去定位并加载适当的设备驱动程序适配卡和设备驱动程序大部分工业标准的p c i 适配卡都可以不进行任何改动而使用，但是，对于具有热插拔功能的工业标准p c i 适配卡，则必须增加设备驱动程序才能实现其热插拔的特性。1 4 兼容性问题使用标准的p c i 适配卡会涉及到与p c i 热插拔技术兼容的问题。热插拔系统要求具有热插拔功能的平台，具有热插拔功能的操作系统和具有热插拔功能的适配卡驱动程序。一个系统可以包含热插拔和这些组件的每一个常规版本的任何组合。然而，对于一个特定的适配卡，只有它具有了支持热插拔的所有三个组件才能实现热插拔功能。一个热插拔平台支持常规的操作系统，这个系统如果没有加载热插拔软件，那么它就是一个常规系统。热插拔操作系统可以执行在任何平台上，如果在这个平台上没有热插拔控制器，那么操作系统将不允许用户在用户接口执行任何热插拔操作。6浙江大学硕士学位论文2 、热插拔控制器目前，半导体厂商为那些需要带电插入背板的线卡设计了众多的热插拔控制器，当线卡插入带电的背板时，由于线卡滤波电容的放电为背板电源提供了一个极低的电阻，能够在转瞬之间造成背板电源的崩溃( 图1 2 ) 。这种崩溃是由于流入电容的电流过大造成的，流入放电电容的电流成为浪涌电流，热插拔控制器无论是放置在背板上，还是放置在可插拔的线卡上，都能够在线卡插入背板时限制浪涌电流，而在后续操作中为系统提供短路保护。图1 2 线卡插入带电背板h o ts w a pc o n t r o ll e r 即热插拔控制芯片，“热插拔”是指将板卡从加有电源的主机( 背板、服务器等) 上插入或拔出，主要应用在基站、磁盘冗余阵歹j ( r a i d ) 、远程接入服务器、网络路由器、网络交换器以及i s d n 等系统。当板卡插入主机时，主机已处于稳态工作状态，所有电容均被充满电，而待插入的电路板是不带电的，板卡，卜的电容没有电荷，因此，当板卡与主机背板接触时，由于板卡上的电容的充电而将从主机电源吸入较大的瞬态电流；同样，当把带电的板卡拔出主机时，板卡上旁路电容的放电在板卡与带电背板之间形成了一条低阻通路，也将产生较大的瞬态电流。较大的电流会导致连接器、电路元件、电路板金属连线( 迹线)等部件或器件的损坏，也可能使背板电源出现瞬时跌落，从而导致系统复位。目前，针对上述应用新推出的热插拔保护器件有许多，本文设计的h o ts w a pc o n t r o l l e r 可为热插拔应用提供一套有效的控制和保护解决方案，它成功地限制了板卡、外设从加电主板插入、拔出时产生的瞬间大电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、主板电源跌落等问题，为板卡、外设的热插拔应用提供了有效的控制和保护方案。7浙江大学硕士学位论文3 热插拔产生的问题热插拔定义为不关断系统的供电而从一个正在工作的系统中插入或拔出电路板。要求：这一过程对要插拔的电路板本身是安全的；板卡的插入或拔出不能损坏正在运行的系统中的其他硬件或应用软件的工作过程。因此热插拔过程产生的问题可以分为硬件和软件两个方面。3 1 硬件上的问题( 1 ) 系统总线。由于系统总线上的逻辑状态完全是随机的，当一块未加电的板连接到正在工作的总线上时，在板与总线之间有大的电流流过，总线上将会受到一个很大的瞬态干扰，破坏总线上正在传输的数据信息。( 2 ) 系统时钟。最初p c i 总线将时钟设计成双负荷配置，即两块板共用同一个时钟信号。由于同一个时钟的两个负荷之间的耦合关系比较紧密，使得其中一个槽的热插拔在另一个槽上产生的瞬态干扰电压可达到1 4v ，同时也使系统时钟发生抖动、偏移。( 3 ) 电源管理。对于一个多种电源混合的系统，一般都对各种电源的上电、掉电次序有一个明确的要求。如果在此系统中进行热插拔，可能会破坏各种电源之间工作次序的配合关系，从而损坏电路板上的器件，使之无法正常工作。( 4 ) 浪涌电流。当电路板被插入一块正在工作的背板上时，板上输入电容( 由电源、芯片的旁路去耦电容以及各种分布电容组成) 的充电会从背板电源总线上拉人巨大的瞬间电流，该电流会永久性地损坏连接器引脚和p c b 的连线，同时在系统电源上产生短时脉冲干扰而引起系统中其他板的复位。( 5 ) 对可编程器件( f p g a ) 的影响。当板上有基于s r a m 结构的f p g a 时，板子的插入过程可能保证不了f p g a 的正确初始化，从而导致f p g a 损坏或其他故障。3 2 软件上的问题电路卡板的插入或拔出实际上是运行在该板子上的软件部分的加入或拔出。因此，系统软件必须能够充分意识到在热插拔过程中将要发生什么事件，应采取什么措施。否则热插拔将引起整个系统软件运行的崩溃。热插拔引起的软件问题主要体现在以下几个方面：8浙江大学硕二学位论文( 1 ) 板子的增减导致了系统配置的改变。( 2 ) 热插拔对总线的瞬态干扰使总线的数据失常，从而使软件运行出错。( 3 ) 操作系统因不识别插拔事件而导致运行出错。4 解决热插拔问题的技术方法热插拔是一个复杂的问题，许多p i c m g 的成员公司作出了巨大的努力来研究一个高质量的解决方案。实现热插拔要解决以下几个主要问题：开发一些专用电路使得一块电路板能够从一个正处于工作状态的p c i 总线中插入或拔出；供给即将热插拔的板的直流电源通常必须斜坡上升或下降，以避免给系统的直流总线带来短时脉冲干扰；必须开发能辨别何时一块板被拔出而另一块板被插入的应用软件和操作系统。这将要求重新初始化复杂的i o 芯片如图形适配器或网络接口。尽管有这些问题存在，但是热插拔是一个令人向往的特点，开发商们投人大量的精力来研究可行的技术。在成本上，c o m p a c t p c i 产品往往低于同等的v m e 产品，但略高于桌面p c i 产品。4 1 硬件方面的技术方法( i ) 连接器。c o m p a c t p c i 的连接器采用分级针脚，使得板卡插入或拔出时各引脚按一定的顺序与系统进行连接或断开，从而从原理上使得c o m p a c t p c i 产品可实现热插拔。分级引脚的长度分为长、中长、短三级，其中电源、地引脚为长引脚，中长引脚接p c i 信号，最短的引脚用来激活该板。当板子插入时，电源、地引脚首先接通，对该板进行早期加电，然后是中长引脚与系统总线接通，最后是短引脚接通，并向系统发出一个使能信号，系统由此知道有一块板已经插好，即开始对它进行初始化。当板子拔出时，上述事件发生的顺序正好相反。( 2 ) 预充电电路。采用连接器引脚分级的一个重要用途是使预充电电路首先工作。预充电电路可以在板子早期上电但尚未与系统总线接触时，对板上器件进行预充电，使这些器件处于“三态 ( 即高阻态) 。当板子与系统总线相触时，可将总线与板子刚接触时产生的瞬态电流降低到最小程度，最大限度地减小对总线的瞬态干扰，保护了总线上的数据不被破坏。( 3 ) 电源软启动。在板上设置一个电源控制器，对接到板上的电源的上升速率进行程序控制，可防止浪涌电流的产生以及对系统总线的损害。9浙江大学硕士学位论文( 4 ) 总线接口器件。采用在复位期间i 0 引脚为高阻态的器件。在缓冲器为三态时，工0 引脚上的泄漏电流最大值能控制在p c i 热插拔技术条件所规定的范围内，器件能在5 v 的p c i 信号热插拔环境中二 作。( 5 ) 异步复位。采用电源软启动技术之后，板子在热插拔过程中将得不到系统的同步复位信号，需要自己能上电复位或者响应系统总线发过来的复位信号。异步复位之后，系统才能对插人的板子进行配置。( 6 ) 状态和控制寄存器( h s c s r ) 。增加状态和控制寄存器( h s c s r ) ，以及相应的中断控制线，使系统能辨识或记录板子插拔前的状态，正确实现对存储器和i 0 空间的初始化。在板子进人或脱离系统总线时，先由系统确定其当前应处的状态，然后建立或终止板子与系统之间的通信。( 7 ) 系统时钟。用单负荷时钟系统来代替原来的双负荷时钟系统，即系统对背板上的每一个板子( 或插槽) 提供各自独立的时钟，以避免在热插拔过程中产生的时钟抖动而干扰其他板子的正常工作。4 2 软件方面的技术方法热插拔除了在硬件电路上要求采取一定的措施以防止电气损坏或干扰其他板正常工作外，还要求在器件的驱动程序级、系统的服务程序级以及在应用程序级上有足够附加软件来支持。通常，当系统上电时，系统的b i o s 分配一个内存地址空间和一个i o 地址空间给每个c o m p a c t p c i 器件。当一块c o m p a c t p c i 板被插人或在系统已经配置后被拔出，它要求系统检测该事件并动态地重新配置内存和l 0地址空间。总之在软件方面需采取下述措施：修改系统软件，使之能够自动检测、识别热插拔事件，并确定具体的热插拔部位；将插拔事件通知给系统服务程序和相关的驱动程序；增强操作系统的动态配置功能，根据当前系统配置的改变作出相应的配置切换操作，如：初始化新插人的板并为其分配资源、加载驱动程序，或释放已拔出板的资源等，消除所有的资源冲突，从而保证系统的正常运行；提高系统软件的容错能力。上面的叙述内容是对热插拔相关的技术作一个简要的介绍，本文关注的重点1 0浙江大学硕士学位论文是热插拔保护技术，也就是利用热插拔控制芯片来实现对器件、主板的保护。第二节世界热插拔控制芯片的分类和市场背景对于个人p c 用户来说，热插拔一般指的是u s b 接口的硬件产品，但对服务器来说，热插拔的含义则更为深刻和广泛。热插拔技术发展至今，其可热插拔设备的名单已有长长的串，包括网卡、电源、风扇、硬盘、内存等，甚至是服务器本身。1 世界热插拔控制芯片的市场背景在硬件市场各家公司的竞争中可以看出包括热插拔在内的新技术对于提高产品竞争力不容忽视的作用。以主板为例，进入2 0 0 4 年，随着p r e s c o t t 核心p 4处理器的闪亮登场并逐渐成为主流，主板市场上也开始酝酿新一轮的变革。2 0 0 4 年，i n t e l 将p 4 从原先的n o r t h w o o d 核心全面过渡到p r e s c o t t 核心，并将改用l g a7 7 5 封装。与此同时，随着此次处理器的升级换代，英特尔也为l g a 7 7 5p r e s c o t t 处理器准备了“a l d e r w o o d ( 1 9 2 5 x ) ”和“g r a n t s d a t e ( 1 9 1 5 ) ”两个系列的芯片组。i d ff a l l2 0 0 2 上i n t e l 正式提出p c ie x p r e s s 总线标准以取代传统的p c i 总线以来，p c ie x p r e s s 立即得到广泛的关注，不少厂商纷纷表示支持这一技术，p c ie x p r e s s 在2 0 0 4 年上半年随着i n t e l9 系列芯片组的推出而正式登场，作为一种新的总线标准，p c ie x p r e s sx 1 6 使用1 6 对线路，单向传输最高达到4 g b 秒，双向传输可达8 g b 秒的带宽。相对于目前的p c i 总线，p c ie x p r e s s 将从根本上超越a g p4 x 8 x ，突破数据传输的瓶颈。和传统的p c i 总线相比，p c ie x p r e s s 有了很多的革新。其中之一就是p c ie x p r e s s 总线支持热插拔功能，可对所有的接入设备进行实时监控，这样硬件厂商可设计出形状和大小都符合模块化要求的部件，用户需要扩充和升级硬件时，只需要把旧的拔掉，新的插上就可以了，不用关机。目前，许多公司( t i 、a d 、m a x i m 、l i n e a r 、c y p r e s s ) 都推出了针对不同用途的热插拔控制器和支持热插拔功能的各类控制、接口芯片。至今这些控制器和芯片成功地在计算机板卡、磁盘冗余阵列、计算机外设测试台、限流器、网络路由器、远程接入服务器、网络交换器、i s d n 等中得到了广泛的应用。浙江大学硕士学位论文2 热插拔控制芯片的分类2 1 热插拔控制器的特性热插拔控制器的特点各不相同，有些热插拔控制器能够在一些附加条件下断开m o s f e t ，例如：电源电压低于控制器的欠压锁存电平或控制器的管芯温度高于规定的门限值时，欠压锁存功能可以避免m o s f e t 的栅极驱动不足，监测控制器的管芯温度同样可以起到保护m o s f e t 的作用，但需要m o s f e t 与控制器之间具有良好的导热性，这些功能都能够防止m o s f e t 工作在较高的温度环境。一旦热插拔控制器安全地将线路板连接到带电背板上，大多数热插拔控制器将在线卡从背板电源吸取过大电流时提供短路保护，如果m o s f e t 因为出现短路或长时间故障时被断开，有些控制器可能会锁存其开路状态，需要发出重新连接的指令后才能恢复电源与线卡的连接有些控制器则启动自动重试功能，当外部条件符合要求时自动恢复电源与线卡的连接。一些热插拔控制器的电流检测门限可以进行编程设置，在线卡吸取电流高于检测门限时允许m o s f e t 断开。有些控制器则设置了两个大电流检测门限：较高的检测门限用于快速响应事件( 如短路故障) ，较低的检测门限用于慢速响应事件( 一般故障) 。这种控制器在检测到短路时能够迅速断开m o s f e t ，但它不响应那些瞬间出现的、电流较小的故障，只有当这些故障持续时间达到了规定的限制，才断开外部m o s f e t 。在热插拔控制器中还可能包括以下功能：上电过程中允许控制电压的摆率、欠压锁存门限可以调节、过压保护等。2 2 热插拔控制芯片分类当前市场上热插拔控制器芯片主要分为以下几个大类：双通道热插拔控制器：两个通道驱动输出管，可以同时实现升压和降压。用于电子电路断路器、板卡带电插拔。如l i n e a r 公司的l t c l 6 4 5 。高压热插拔控制器：包括正电压和负电压，范围可达- 8 0 vn + 8 0 v 。用于高压分布式电源系统、电源控制、限制浪涌电流、提供短路保护。如l t c 4 2 5 6 ( 正电压) 、l t c l 6 4 0 ( 负电压) 、a d m l 0 7 0 ( 负电压) 。p c i 总线热插拔控制器：此类i c 用于基于p c i 总线的服务器，允许主板插入或抽出带电p c i 总线插槽。如l t c 4 2 4 1 、m a x 5 9 1 5 。1 2浙江大学硕士学位论文负载分配( l o a ds h a r e ) 热插拔控制器：此类工c 用于服务器以及网络设备、通信以及基站设备和分布式电源系统中。它允许系统平等地分配并联多路电源的负载。每个电源的输出电压均采用s e n s e + 输入调整，直至所有电流与分配总线匹配。如l t c 4 3 5 0 。以太网供电控制器：此类i c 符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准的检测、分级、限流和断接检测，支持d c 或a c 断接，无需采用处理器即可自动操作，亦可通过，2 c 聊总线控制工作。如l t c 4 2 5 8 。第三节热插拔控制芯片的发展趋势微电子技术、电子技术和计算机技术在相互渗透、相互支撑和相互促进的紧密关系中，均得到了飞速发展。现代信息社会的支柱计算机和通信，其主要硬件设备是集成电路。以集成电路的发展为标志的微电子技术无所不在，已经成为现代信息社会的基础。自从1 9 5 9 年世界上第一块集成电路在美国的德州仪器公司和西屋电气公司诞生以来，集成电路技术以惊人的速度发展。第一块集成电路上只有四个晶体管，而目前的集成电路已经可以在一片硅片上集成几千万只晶体管，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经历了小规模i c ( s s i ) 、中规模i c ( m s i ) 、大规模i c ( l s i ) 、超大规模i c ( v l s i ) 和特大规模i c ( u l s i ) 的不同阶段，集成电路的性能( 高集成度、高速度和低功耗等) 迅速提高。i c 发展各阶段的主要特征如表所示。集成电路工艺已发展到深亚微米，特征线宽可达到9 0 n m ，甚至更小。随着微电子技术的不断进步，集成电路高速发展。目前，系统级芯片( s o c )己能将包括数字i c 和模拟i c 的整个系统集成在单个芯片上，完成系统的功能。s o c 的娃j 现，使集成电路逐步向集成系统( i n t e g r a t e ds y s t e m ) 的方向发展。热插拔功能对于保持系统可用性至关重要。现今的传统热插拔技术存在诸多问题，而且价格不菲，结果导致软硬件之问关系复杂且脆弱。这些问题进而使得数据中心和i t 经理需要投入大量的时间和资金予以解决。通过采用标准使用模式并消除实现可靠热插拔所需的特定厂商代码和组件，p c ie x p r e s s 将可以显著提浙江大学硕士学位论文表1 1 集成电路发展发展阶段1 9 6 6 年1 9 7 1 年1 9 8 0 钲1 9 9 0 年以后主要特征m s il s iv l s iu i 。s i元件数芯片1 0 2 1 0 31 0 3 1 0 51 0 5 1 0 71 0 7 1 0 9特征线宽( 雎m )1 0 55c n 33 1 1速度功耗积( )1 0 2 1 01 0 1l 1 0 2 10 吨栅氧化层厚度( n m )1 2 0 1 0 01 0 0 , i , 4 04 0 1 51 5 1 0结深( 胁)2 1 21 o - , 0 5o 5 o 20 2 0 1芯片面积( m m 2 ) 6高系统性能、延长正常使用时间、增强可维护性和降低成本。热插拔技术直应用于服务器，现在个别技术已经延伸到了p c 和工作站等。通俗地讲，热插拔技术指在不关闭系统和不停止服务的前提下热替换( h o tr e p l a c e m e n t ) 、热添加( i t o te x p a n s i o n ) 、热升级( h o tu p g r a d e ) 硬件设备，达到提高服务器系统可用性的目的。躺前的热插拔技术已经可以支持硬盘、电源、扩展板降的热插拔。一般硬件热插拔主要依靠p c i 总线技术。丽系统中更为关键的是c p u 和内存的热插拔技术，要实现服务器内存的热插拔，就不仅仅是p c i 总线技术所能解决的了。内存故障主要包括两种：硬性错误和软性错误。所谓硬性错误是指内存条受外界环境影响而导致电压不稳产生的存取错误。软性错误是最常见的，它既有制造工艺的因素也有算法校验的问题。现在绝大部分服务器都安装的是a d v a n c e de c c 内存条，可以校验和纠正四个比特以内的错误，内存保护模式多为在线备份和镜像备份。镜像备份模式的主要缺点就是插拔内存具有选择性，如果用户拔掉了关键内存条，就会立刻宕机没商量。而且全镜像备份还有个问题，就是会造成很大的资源浪费。因为如果你要做8 g b 的全镜像，就要插1 6 g b 的内存。在这样的情况下，一种全新的内存保护模式一热插拔r a i d 内存技术诞生了。它在概念上和r a i d4 磁盘存储技术非常相似，在系统架构上就更像一个硬盘。所以采用了热插拔r a i d 内存保护模式的系统就可以达到像r a i d 硬盘。样随意替换内存的效果。另外，与磁盘阵列不同，热插拔r a i d 内存不存在延时。热插拔r a i d内存使用的是并行点对点连接方式写数据，而不是通过连接多块磁盘的串行总线。1 4浙江大学硕士学位论文这种方式的优点是数据可以同时被写入多个存储区( 内存盒) ，消除了因为存储系统使用r a i d 技术处理而带来的写数据的瓶颈问题。随着信息技术的不断发展，人们对各种设备的高性能，低功耗，便携性等要求的不断地提高，这也对热插拔控制芯片设计提出了更高的要求。未来热插拔技术的发展将会促使习艮务器系统的结构朝着模块化的方向发展，大量的部件都是可以通过热插拔的方式进行在线更换的。新推出的热插拔控制器已经改变了大电流检测的两级电平结构，对短路故障的响应速度可以达至l j 2 6 0 n s ；而且，对噪声的抑制能力也大大提高，所能允许的故障持续时间与故障电平有关，电流幅值较小的故障在m o s f e t 断开之前可持续3 m s ，幅值较高时将相应缩短所允许的故障持续时间。由于新型热插拔控制器能够监视的电压可低至1 v ，检流电阻上的压降成为至关重要的因素，电压检测精度随着检流电阻上压降的减小而提高，典型的控制器在检测到短路故障时检流电阻上的压降为5 0 m v ，而目前推出的控制器相应的压降为2 5 m y 。为减少元器件数，一些热插拔控制器还省去了外部检流电阻，它们通过监视外部m o s f e t 的漏一源电压限制流入线卡的电流。除了监视单路电源的产品外，新推出的热插拔控制器还能够同时监视2 路、3 路甚至4 路电源电压，带有子卡的线卡常采用这种控制器，这些带电插拔的子卡一般有两路供电电源，如：1 8 v 和2 5 v ，这些电源都需要热插拔控制器加以控制。随着线卡上元器件密度的提高，对热插拔控制器的面积、高度的要求也更加严格，近年来发展的便携式产品都采用贴片式器件，热插拔控制芯片也不例外，主要有s o 封装、s o t 一2 3 封装、q s o p 封装、t s s o p 封装及封装尺寸最小韵s c 一7 0及最新的s m d 封装等，使热插拔控制器占的空间越来越小。虽然未来的计算机如何发展尚充满变数，但计算机性能的大幅提高是不容置疑的。计算机今天有这么大的普及度，就是因为它的通用模块化设计起了决定性的推动作用。这一点在将来还会发扬光大，不但在内置板卡中实现模块化，而且可以提供多个外接插槽，以方便加入新的模块来增强性能或功能。这些功能的实现，都离不开热插拔技术的发展。当我们需要哪个功能时，只需要把提供该功能的模块加载到机器上，就能提供该功能和实现设备升级而无需关机。那时候，可能所有的计算机组件都能够实现热添加、热替换和热升级，就浙江大学硕士学位论文像我们使用的u s b 设备一样方便。而且那时候，在板卡、驱动、操作系统、软件方面的支持也将趋于大众化，而不仅仅是应用在服务器领域。第四节本文的选题意义及研究内容1 本文的选题意义如前所述，热插拔控制芯片的应用非常广泛，特别是网络通信越来越发达的今天，它可谓无处不在，如在电信及数据通信系统中，不允许系统有长时间的停电，再则现有的许多操作系统的重启动时间一般都比较长。因而热插拔在电信应用领域变得越来越重要，甚至成为电信产品的一种强制性指标。而且，热插拔技术还在进一步复杂化，应用也将不断拓展，所以对其的需求量巨大，对其研究也亟需进一步深化。另一方面，热插拔控制芯片属于模拟与混合信号集成电路，而目前有关s o