基于GD32F407的电源模块BMC设计

杭州应用声学研究所 袁昌权 王 欣 翁奇财

本文提出了一种基于GD32F407的电源模块板级管理控制器（BMC.Baseboard Management Controller）的设计，实现电源板卡内信息采集及板卡状态机控制。该BMC满足IPMI2.0协议，机箱控制器ChMC通过IPMB总线对板卡进行远程控制和管理。BMC采用FreeRTOS实时操作系统，对电源的状态进行实时监测。基于该BMC的电源板卡经长期使用验证了其稳定性及可靠性。

在某国产化平台中，通过电源模块实现机箱(平台)的供电。对电源模块工作状态的掌握和控制，对于机箱而言是不可缺少的。电源的稳定与否会直接影响到其他模块的工作状态，也会影响机箱及其他板卡的使用寿命。因此，实现对电源的机箱级管理和监控是必要的，也有助于提高电源管理效率，使得电源更加可靠和实用。

1 总体设计

电源模块采用国产单片机GD32F407作为控制器使用，该芯片是一款32位基于Cortex-M4架构的RISC微处理器，最高工作频率可达168MHz，具有高性能、低功耗、外设丰富的优点。GD32F407具有512KB片上存储区域，能够烧入和保存比较大的程序。同时，该芯片配备了SPI、I2C、USART、CAN等标准和高级通信接口，最多支持140各通用I/O引脚以及多达14个16位通用定时器，19个多路复用的ADC通道。因此，该芯片能够满足电源模块BMC的设计和性能需求。

电源模块BMC设计框架如图1所示，主要由引导程序、用户程序两个部分组成。引导程序主要用于BMC软件的迭代升级，正常启动时，引导程序直接跳转到用户程序；在升级软件时，引导程序进入更新模式，通过串口接收用户程序写入片内存储区域。

用户程序运行在FreeRTOS实时操作系统上，包括信息采集、远程控制管理、状态机控制、发起更新请求四个功能。FreeRTOS是一个微内核的操作系统，具备任务调度和管理、时间管理、消息队列、信号量等功能，同时因其可移植性强、可裁剪、多任务的特点，被广泛应用于嵌入式领域。

图1 BMC总体框架

本文通过在FreeRTOS中建立三个线程来实现用户程序的功能。信息采集有两种方式，第一种通过传感器采集后经单片机ADC转换得到，这种方式依赖于传感器的灵敏度及可靠性，同时受外部环境影响较大（特别是温度采集）。第二种方式是采用类似SynQor的MCOTS-C-270可编程全砖模块，通过协议去访问全砖内部模块信息。该方式稳定、可靠，且扩展性强，因此，本文采用第二种方式。ChMC通过两条IPMB（I2C）总线实现对BMC的远程控制管理，主要实现电源模块的上下电、信息上传、事件日志等功能。同时，两路I2C能够实现冗余切换，增强了交互的稳定性。状态机控制通过判断各模块的状态，在异常时执行相应的操作，保证系统的稳定性。另外，更新请求由串口中断响应。

2 引导程序

引导程序仅在用户发起更新程序的请求产生响应，正常开机启动时直接跳转到用户程序。因此，引导程序力求轻量、稳定、安全，没有采用操作系统。用户通过串口发送更新请求码到用户程序，请求码正确则由用户程序跳转到引导程序。引导程序执行系统复位后，完成系统时钟、串口、内部FLASH配置，等待用户发送用户程序执行文件。用户通过串口将执行文件发送到单片机，单片机将文件校验后再写入到指定的FLASH区域，随后正常启动用户程序，程序更新完成。

3 用户程序结构设计

用户程序运行于FreeRTOS操作系统之上，由三个线程、若干个中断响应函数构成。根据线程功能性的不同，其优先级高低如下：状态机控制＞远程管理控制＞信息采集。状态机控制必须保证在出现故障的情况下立即响应，采用定时轮询的方式进行。远程管理控制线程由二进制信号量挂起，信号量由I2C中断释放。只有ChMC向BMC发送命令触发I2C中断时，该线程才会运行，常规状态下不占用CPU资源。

用户程序中涉及的中断包含串口更新中断、两路I2C中断、定时器中断四个中断服务程序。在默认状态下，I2C使用第一路进行通信，第二路作为备份。因此，中断优先级设计如下：第一路I2C＞第二路I2C＞定时器中断＞串口更新中断。定时器中断用于为系统提供时间戳信息，统计电源板使用寿命。由于用户程序更新不是频繁的操作，因此其优先级最低。

4 信息采集

图2 电压-电流-温度

电源模块信息包括温度信息、+12V电压信息及电流信息。在本文中，电源采用的是SynQor的MCOTS-C-270全砖模块，该模块可以输出800W功率，工作于240V～425V范围的连续输入电压，且能承受240V～475V范围的瞬态输入电压。除此之外，该模块的DC-DC转换器效率也比同类型的转换效率更高，使得转换器所需要散发的热量大幅降低，更容易冷却、降温，对于机箱散热的控制是十分有利的。同时，该模块为全密封设计，在-55℃到100℃的外表温度之间仍然能够满载输出。其输入欠压锁定、输出过压保护、主动反偏压限制、过温关断、输出限流、短路保护以及可选均流等功能使其在实际应用中具备极高的可靠性。

表1 数据写入、读取命令及响应格式

单片机可由RS232串口总线与全砖进行通信，通过数据写入命令设置全砖ID、生产日期、软件版本等信息，也能通过数据读取命令获取输入/输出电流、输入/输出电压、温度等信息。全砖终端收到正确的命令后，会立即产生一个响应。无效的命令不会产生响应。数据写入、读取命令及响应格式如表1所示。网络地址字符在开机上电时即默认为“m”。为了避免命令冲突，全砖定义了各功能程序的唯一地址——即访问地址，该地址可由char、十进制或十六进制格式制定。说明符用于区分命令的种类，“=”表示写入命令，“?”表示读取命令。在发出写入命令时，只有访问地址被选中时才能被写入，否则无法操作访问地址的值。写入命令和读取命令的响应均以换行符为终止符。

表2 电源模块信息获取命令及响应

电源模块信息由全砖提供。在使用时，RS232串口波特率设置为9600、8位数据位、无校验、1位停止位。+12V电压、温度及输出电流获取命令及响应如表2所示。在FreeRTOS系统中利用一个单独的线程定时轮询电源模块信息，轮询周期在百毫秒级别。线程在接收到终端结果后，需要对数据进行异常值检测和滤波处理，以排除终端返回非法结果时造成的影响。对电源进行负载（大电阻）测试，在不加散热的条件下，其电压、温度、电流曲线如图2所示。从测试结果可以看出，全砖采集到的对外+12V电压十分稳定，输出电流也很平滑，温度上升也呈近似线性的关系。

5 远程控制管理

BMC通过IPMB总线响应来自ChMC的命令。两路I2C总线在设计时，需要考虑多个板卡并联时I2C上拉电阻总阻值的变化，阻值过大会导致整个机箱内部I2C总线阻塞，过小则无法驱动I2C总线。因此，根据I2C总线的容性负载能力，选择合适的上拉电阻是至关重要的。两路I2C的乒乓冗余功能虽然能够增强容错能力，但因ChMC出错或BMC未及时响应导致的总线阻塞的现象是不可避免的。在软件的设计上，BMC的I2C处理采用非阻塞模式和错误处理机制。具体而言，就是在BMC向ChMC传输数据的过程中，检测I2C总线的起始信号、传输信号、停止信号等寄存器状态时，采用超时退出机制，并将I2C状态标注为异常状态。I2C异常后，状态机会进行错误处理，禁用两路I2C中断，延时一段时间后将I2C重新初始化。该机制对ChMC出错无效。

BMC命令符合IPMB2.0规范，其响应-应答协议如图3所示。命令包含两类，一类是IPMI标准命令，另一类为自定义OEM命令。IPMI标准命令包括设置/读取系统时间、以及上下电。自定义命令包括设置数据命令和读取数据命令，主要用于获取传感器信息、设置传感器报警值。

BMC在收到命令后，由命令解析器解析命令数据包，在提取出命令字中的功能码后，触发响应处理器执行功能处理，并将处理结果组装成响应消息包上传给ChMC。ChMC访问传感器信息时，BMC会对各个传感器状态进行轮询，同时，根据轮询结果和报警值进行比较。如果超过上限值或低于下限值，则产生报警报警事件，并由报警处理器将数据和状态信息以响应消息的形式上传给ChMC，同时更新状态信息，通知状态机对报警进行本地处理。

当然，为防止传感器数值异常造成错误报警，报警分为临时报警和持续报警。当第一次触发报警时，报警被设置为临时报警；当一定周期内连续触发报警，则调整为持续报警。同样地，若在一定周期内报警未被触发，则取消报警，报警处理器更新状态信息。

根据实际的需求，传感器的报警值设置为临界值和故障值以及上、下限各两条，即UC和UNC、LC和LNC，分别为故障上限、临界上限，故障下限、临界下限。在ChMC利用浏览器访问BMC的传感器信息如图4所示。

6 状态机控制

状态机控制主要用于保证电源模块的正常工作状态，在BMC层级对模块状态进行实时监控和管理。在系统启动完成必要的硬件初始化后，首先建立并启动状态机控制线程，定时轮询各硬件模块的状态信息。在启动一定时间内硬件正常的情况下，开始对外供电。在状态机中使能看门狗，当操作系统因为异常无法运行时，看门狗执行MCU复位操作重启电源模块。

状态机同时响应来自报警处理器的消息。当出现温度过高、电流过大的故障报警时，状态机会停止对外供电，等待用户的操作。

由于BMC和ChMC之间通过I2C总线进行通信，当总线出现阻塞时，ChMC就无法对BMC进行管理控制。因此，在状态机中引入I2C错误处理机制是必要的。当I2C异常时，状态机会向总线发送停止信号，在延时一定时间后，重新初始化I2C组件，并使能I2C中断。

结束语：本文提出了一种基于GD32F407的电源模块BMC设计，通过引入IPMI协议，可以实现对电源模块的远程控制，从而能够实现机箱的远程复位、监控等操作。同时，在BMC中加入了状态机控制机制，能够实现模块的自我监测，当电压、电流、温度等发生异常时，模块能够实现自我保护，提高了电源的工作稳定性和可靠性。