裝載操作系統國產化板卡復位系統的研究

寧東平，張志強，黃 茨

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

近年來，由于集成電路行業嚴峻的國際形勢，應用在各個領域的板卡對芯片國產化和自主知識產權的需求日益增加[1]。裝載操作系統的國產CPU[2]板卡在各個領域應用廣泛，運行操作系統時，CPU 的工作會受到外界因素干擾，造成自身寄存器和內存數據混亂，導致程序出錯，使整個系統無法正常工作?？撮T狗電路用于監視系統運行情況，一旦出現異常，輸出復位信號，復位整個系統。

目前，應用的看門狗電路包括軟件看門狗電路[3-4]和采用復位芯片的看門狗電路[5-6]兩類。軟件看門狗的工作原理是在CPU 中采用內部定時器，通過程序初始化寫入初值，設定溢出時間，在規定時間內定時器未被賦值，則會復位系統。在系統啟動階段或者運行階段，若出現CPU 完全死機的情況，軟件看門狗無法進行復位操作。采用復位芯片的看門狗電路是在CPU 看門狗與CPU 復位管腳之間增加復位芯片。復位芯片的溢出時間都比較短，在溢出時間內沒有喂狗信號則會輸出復位信號[7]。在系統未加載完成的時候CPU 無法輸出喂狗信號，會造成復位芯片頻繁輸出復位信號，進而導致CPU 無法啟動。因此，本文提出了一種新型的復位電路。

2 電路原理與設計

2.1 電路設計

在國產化板卡中應用的CPU 廠商主要包含3 類：第一類是IP 內核授權模式，例如兆芯、海光；第二類是指令集架構授權模式，例如飛騰、華為；第三類是授權加自主研制模式，例如龍芯、申威。第三類模式后期自主研發，完全自主可控[8-9]。龍芯CPU 處理器主要用于網絡、平板電腦以及工控等領域[10]，其應用的最小系統框圖如圖1 所示。

圖1 CPU 應用的最小系統

龍芯CPU 運行操作系統啟動時間約為4 s，在系統啟動階段需要進行延時喂狗。本文提出了一種新型的復位系統設計方案，結構框圖如圖2 所示，主要由看門狗、定時器及緩存器等組成。

圖2 復位系統結構

看門狗采用的芯片為MAX706，能夠實現上電復位、看門狗定時器溢出、電源欠壓警告、電源欠壓復位以及外部硬件復位等功能，看門狗的典型溢出時間約為1.6 s。

定時器采用的芯片為NA555，能夠簡便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器以及多諧振蕩器。NA555廣泛應用于波形的產生與變換、測量與控制、家用電器等領域。定時器NA555 的真值表如表1 所示。

表1 定時器NA555 的真值表

緩沖器采用的芯片為74LVC1G125，其具有三態控制，真值表如表2 所示。

表2 緩沖器74LVC1G125 的真值表

在CPU 系統啟動階段，復位系統利用定時器NA555 延時輸出高低電平，使能緩沖器74LVC1G125的輸出，從而延時使能看門狗MAX706 的硬件復位，實現延時喂狗。在系統加載完成后，CPU 輸出喂狗信號?？撮T狗MAX706 正常運行，監控系統運行的狀態。復位系統的電路設計如圖3 所示。ACPI_SYSRSTN 為CPU（U4）的復位信號，用于系統復位。WDO_A 為看門狗MAX706（U3）的溢出輸出信號。在看門狗典型溢出時間1.6 s 內若WDI 端口無喂狗信號CPU_RST_WDI輸入，WDO_A 為低電平，否則為高電平。WDO_B 為MAX706（U3）的外部復位輸入信號，當WDO_B 為低電平時，看門狗的RESET 端口輸出低電平，使復位信號ACPI_SYSRSTN 變為低電平，復位整個系統。

圖3 復位系統的電路設計

2.2 功能說明

在CPU 系統啟動階段，定時器U1引腳TRI 的電壓VTRI＜1/3 VCC，引腳VO 輸出高電平。此時，引腳THR因外接RC 充放電路（由R1與C1組成），其電壓VTHR不能突變。當VTHR＜2/3 VCC且VTRI＞1/3 VCC時，引腳VO保持輸出高電平。當RC 電路充電完成后，VTRI＞1/3 VCC，引腳VO 輸出低電平。緩沖器U2的使能引腳OE 連接至定時器U1的VO 引腳，當OE 為高電平時，WDO_A 與WDO_B 斷開，禁止看門狗硬件復位；當OE 為低電平時，WDO_A 與WDO_B 連接，使能看門狗硬件復位。復位系統的功能如表3 所示。

表3 復位系統功能

通過改變定時器NA555 的THR 引腳RC 充放電路的電阻（R1）和電容（C1），可以調整硬件復位使能的時間。

3 驗證

通過電路設計與功能說明后，對復位系統進行原理驗證板卡測試驗證。原理驗證板卡如圖4 所示，硬件測試平臺由原理驗證板、直流電源、萬用表與示波器組成。在驗證板供電之前，用萬用表測試板卡上各個電源，確保無短路現象。在驗證板卡供電后，用萬用表測試各個電源，確保其電壓值滿足系統要求。在保證各個電壓正常后，CPU 正常啟動。此時，采用示波器捕捉關鍵信號的波形，驗證復位系統原理的正確性。

圖4 原理驗證板

在CPU 系統啟動階段，使用示波器探頭分別測試定時器NA555 的VO 引腳電壓VVO（VOE）與緩沖器74LVC1G125 的Y 引腳電壓VWDO_B波形，測試波形如圖5 所示。從測試波形得出，板卡上電時，VVO（VOE）為高電平，緩存器使能無效，信號WDO_A 與WDO_B斷開；緩沖器74LVC1G125 的Y 引腳被上拉至電源電壓，其電壓VWDO_B為高電平，禁止看門狗MAX706 外部硬件復位。大約3.8 s 后，定時器的THR 引腳充電完成，其VVO（VOE）為低電平，緩沖器使能。信號WDO_A與WDO_B 連接，使能看門狗MAX706 的外部硬件復位。此時，CPU 加載系統完成，輸出喂狗信號CPU_RST_WDI，保持看門狗信號WDO 為高電平。

圖5 VVO（VOE）與VWDO_B 測試波形

在CPU 系統啟動階段，使用示波器探頭測試看門狗MAX706 的引腳MR 電壓VWDO_B與引腳RESET 電壓VACPI_SYSRSTN波形，測試波形如圖6 所示。從測試波形得出，CPU 加載系統過程中VWDO_B與VACPI_SYSRSTN保持高電平。在系統加載完成后，CPU 輸出喂狗信號，VWDO_B與VACPI_SYSRSTN一直保持高電平；若喂狗信號出現異常，看門狗輸出復位，VWDO_B變為低電平。CPU被復位，重新加載系統。

圖6 VWDO_B 與VACPI_SYSRSTN 測試波形

4 結論

在CPU 系統啟動階段，裝載操作系統國產化板卡需要延時喂狗。因此，本研究設計了一種由看門狗、定時器以及緩沖器等組成的新型復位系統，通過電路設計、功能說明以及原理驗證板卡的測試驗證表明，在CPU 系統啟動階段，設計的復位系統斷開看門狗溢出輸出端與外部復位輸入端的連接；在看門狗輸入無翻轉信號時，復位信號ACPI_SYSRSTN 保持高電平，不會復位CPU；在系統加載完成后，CPU 輸出喂狗信號。此時，看門狗溢出輸出端與外部信號輸入端連接，看門狗正常工作，監控整個系統的運行情況。綜上所述，在CPU 系統啟動階段，設計的復位系統能夠實現延時喂狗的功能。依托裝載操作系統國產化板卡的應用，經過大量測試，該復位系統均能滿足要求且可靠性高。通過調整參數，復位系統可以滿足不同CPU 加載系統的時間要求。目前，各個領域應用的板卡對國產化需求日益增加，復位系統的應用前景非常廣闊。