集成I²C系统管理功能的小型微控制器

系统设计人员一直致力于改善计算、嵌入式及消费电子系统的稳定性和健壮性。比如,在服务器管理中,可靠性就显得尤其重要。服务器的停机、数据毁坏和硬件故障都会对公司运营产生直接的影响。因此,服务器制造商设计了系统管理架构,通过提供分层式管理、自主监控和可量测性来提升可靠性。

服务器管理架构所管理的器件,是那些控制和监测电压轨、启动状态和系统冷却的器件。此外,所管理的器件还提供实时时钟功能,并在非易失性存储器中存储故障数据。为了实现上述功能,通常使用各种功能固定、目的单一的器件。

不过,集成了串行通信外设的微控制器能够为此类应用增值,因为它能使此类应用更为灵活、集成度更高且成本更低。这种解决方案不仅适用于服务器管理应用,而且也适用于任何看重灵活性、集成度和降低成本的串行通信应用。

当前常见的系统管理架构

当前常见的系统管理架构一般采用单一而功能强大的处理器来进行管理。此类处理器通常是专用集成电路(ASIC)、系统级芯片(SoC)或高性能16位微控制器。图1是系统管理架构的示例,通信通过I2C?总线进行。I2C总线是当前流行的总线,因为它需要的通信线数很少,硬件开销低,而且能够独立寻址总线上挂接的大量器件。

在典型的系统管理架构中,可把高级处理器当作系统的“大脑”。它和系统内的各个器件通信并进行控制,为用户决策提供依据。依照同样的思路,可以把外部器件看作是系统的眼睛和手脚。每个器件的目的单一,且能自主工作,从而保证系统的可靠性。高级处理器与每个独立IC进行通信,以便根据操作员的输入信息来管理和监控系统健康的运行状态。

图1所示的各个独立IC模块,部分地展示了服务器系统管理架构所承担的健康功能。电源管理和供电时序在服务器应用中是必需的,因为ASIC、SoC和其它高级处理器件的上电条件(电压上升斜率和上电顺序)有明确的规定。通常,通信总线上有单独的IC会根据这些器件的规范来管理它们的上电顺序和电压上升斜率。

图1:微处理器系统管理架构框图。

热管理IC监控系统温度并优化风扇转速,从而使系统保持在特定温度上,这就防止了热失控情形的产生,确保温度不会超过器件规范。高级处理器能够寻址热管理器件,以便监控风扇转速和功能,并调节风扇速度使温度达到设定值。

实时时钟器件用来为数据记录提供准确时间。由于器件具有I²C功能,从而使得时间寄存器可以按高级处理器的请求进行读取。在这种情况下,时间保持功能能够自治地完成。

在系统关闭时,配置参数和诊断数据都保存在EEPROM中。这样就能记录器件故障参数,从而找出引起硬件故障的根本原因。根据具体应用,其他单一目的的IC也可能连接到总线上,对系统健康运行进行管理。

目前,系统管理的方法是利用各种独立器件来执行系统管理功能。这些独立器件的灵活性受到其设计规范的限制。例如,热管理控制器可以测量温度,并且采用开环控制方法来控制风扇转速。这对于满足系统管理要求而言或许足够了；然而,如果将来这些要求或规范发生变化的话,例如要求风扇转速采用闭环控制,那么就可能需要购买新器件并改变硬件。如果不存在符合需要的器件,那么系统开发人员可能需要与ASIC制造商合作,设计专用器件来满足这些需求——这样的成本显然很高。如果没有新的器件设计流程,专用器件在增加或改变功能特性上也缺乏灵活性。

微控制器解决方案

微控制器为现行的系统管理方法提供了另一个可选择的解决方案。由于小型微控制器整合了集成外设和固件,所以可以用来实现几乎所有的系统管理功能。除微控制器外,唯一需要的是串行通信外设,因为典型的系统管理架构使用诸如I2C之类的串行通信总线来管理器件。

许多微控制器除具有内部振荡器、程序存储器、EEPROM、脉宽调制(PWM)模块和比较器这些能用于实现各种系统管理功能的模块之外,片上还有串行通信外设。

Microchip的PIC16F886微控制器就是这样的器件。PIC16F886片上集成了主同步串行端口(MSSP)模块,支持SPI和I2C的硬件。此外,PIC16F886还有集成了数据EEPROM模块,提供256字节高擦写次数的非易失性存储器。PIC16F886片上还集成了一个比较器和一个模数转换器(ADC),用于测量和监控输入电压。其输出可以通过捕捉、比较及PWM(CCP)模块来控制。PIC16F886的框图如图2所示。

图2:典型的小型微控制器(如PIC16F886)框图。

PIC16F886可用来实现很多本文前面已讨论的系统管理功能。下面举例讨论系统管理功能的实现:1. 热管理控制器；2. 串行EEPROM、串行ADC、带日历的实时时钟。

热管理控制器

高性能系统需要进行热管理。随着PC机、服务器和机顶盒中所用的处理器内晶体管数量的增长,对系统冷却的要求也在提高。热管理控制器测量机箱内部、处理器管芯或风扇通风孔出口的系统温度。温度输出可以通过热敏电阻测量并在软件中线性化,或者从温度传感器(如Microchip的MCP9700)直接得到线性输出。在测得温度后,热管理控制器将优化风扇转速,使得温度不会超出限定范围。尽管风扇控制的细节不在本文讨论的范围之内,不过,典型的三线风扇的控制方法是采用低速PWM。改变PWM占空比,实际上将改变提供给风扇的直流功率,进而控制风扇转速。典型的PWM输出-温度关系曲线如图3所示。

图3:热控制器占空比输出-温度。

低频PWM(10~100Hz)由于频率太低无法由硬件PWM外设生成。然而,诸如定时器等其他外设可以用于产生非常精确的低频PWM,其方法是反复翻转I/O引脚。适当设计微控制器固件,可动态地计算最小温度和最大温度间直线的斜率。风扇转速可以通过测量三线风扇转速计输出的脉冲时间来计算,转速计输出能连接到比较器的输入端,产生测量中断。

加上MSSP模块,现有的热控制器解决方案可以很容易地被替代。固件的灵活性使得系统设计人员能够增加和改进其设计的功能特性。例如,迄今我们讨论的热控制实现方法是开环控制。控制目标是把转速作为温度的函数,线性地改变转速。但问题在于,PWM占空比与风扇转速不成比例关系。实际上,风扇转速与PWM占空比的关系根本不是线性的,如图4所示。

图4:基于微控制器的风扇转速控制,提供了线性度更好的稳态响应,还提供了可编程的动态响应。

数字设计人员能够实现数字比例-积分-微分(PID)算法的闭环控制,极大地改善风扇转速与PWM占空比之间的线性度。此外,还可以优化PID常数,改进转速的阶跃响应,从而满足对可闻噪声的要求。

串行EEPROM、串行ADC、带日历的实时时钟

MSSP模块提供了主从I²C和SPI模式。通过编写串行器件的固件和定义其通用RAM(GPR)能够完成对数据的寻址,寻址方式与已有的串行器件相同。

例如,现有的串行EEPROM器件可以用PIC16F886内256字节的数据EEPROM来模拟。诸如页面缓冲和应答轮询之类的特性,都可以通过微控制器固件来实现,甚至改进。采用微控制器固件和片上集成的10位ADC,可以模拟串行ADC器件,还能根据现有规范对数据进行格式化。最后,PIC16F886也可实现带日历的实时时钟,可定义RAM变量使之与现有寄存器映射相匹配。仅需的外部硬件是产生精确时基的32.768kHz晶振。微控制器内部的低功耗晶振电路能驱动外部晶振,把信号转换到定时器外设中,使得固件能适当地更新时间寄存器。

利用集成外设,微控制器可用来实现现有的系统管理功能。Microchip的MSSP串行通信外设的一个新特性是能屏蔽I²C地址。I²C从模式特性允许微控制器外设应答对多个地址的寻址。换句话说,一个微控制器能以多个地址出现,就好像是I²C总线上的多个器件一样。这就使得前面讨论的所有系统管理功能不但能在微控制器上实现,而且能同时实现,并具有独立的可寻址特征。图5展示了改进后的系统管理架构框图,它采用了PIC16F886这样的8位微控制器。

图5:改进后的微处理器系统管理架构框图。

微控制器的优势

采用微控制器实现系统管理功能带来了很多优势,包括灵活性、集成度和低成本。灵活性源于微控制器的可编程性。可编程性为设计人员带来了巨大的灵活性和快速反应能力。它允许设计人员根据规范定制功能。设计人员可以定义RAM变量,使之与串行器件的现有寄存器映射相匹配。通过固件还可以使系统更加智能。

本文讨论的实现例子中,可以实现闭环控制来改进现有热控制器的运行。采用编码结构(如软件状态机和看门狗定时器)可以保证集成系统既灵活又可靠。可编程性让规范的改变和升级能在固件上实现,而无需采用昂贵的硬件修改或者是ASIC制造。此外,器件集成降低了系统总体成本。不用再为单一任务购买几个相对昂贵的IC,取而代之的是一块小型微控制器就可以完成所有任务。例如,PIC16F886微控制器的I2C地址屏蔽特性,使得微控制器能够响应多个从地址。而且,固件是可编程的,这使得设计人员能够合理使用外设和软件来满足系统设计规范。

本文小结

本文提出的解决方案讨论了微控制器固件和外设在实现现有系统管理功能时的灵活性,还讨论了集成这些功能的方法。采用专用硬件与高集成度的微控制器方案相比,有各自的优缺点,本文阐述的系统可以作为现有方法的替代方案,并带来若干好处(如节省成本和改善性能等)。最重要的是,此类集成系统把控制权交给了设计人员,设计人员能够为应用定制和优化解决方案。文中提出的解决方案不仅适用于系统管理应用,而且也适用于任何看重灵活性、集成度和成本缩减的串行通信应用。

作者:Brian Claveria

应用工程师

安全、微控制器及技术开发部

Microchip Technology