X86 CPU Power Sequence控制之FPGA代劳

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了X86 CPU Power Sequence控制之FPGA代劳。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

        本人最近心态异常平静,于是乎--->简单整理下这两年魔幻般的经历(咱从地道的搬砖人又回到了研究僧的灵笼中,装作不开心~)。

        注:转载本文章,请标明其来源。同时,此文章涉及的逻辑块代码仅供学习参考!!!谢谢配合!!!!!!!

        本文以intel Birch Stream平台为例,参考的Birch Stream PDG为Rev 0.7 版本,如若新版PDG在时序上有所变动,请以最新的PDG或EDG为准,谢谢配合。

第一节:服务器CPU时序的要求

        X86架构的服务器CPU含有多路电源轨,如常见的P3V3、P1V05、P0V9等。如整机方案使用的是Eagle Steam或之前的CPU,整个系统的电源时序会增加若干组关于PCH的电源轨。电源部分的常见分类有CPU核心电源、IO电源、总线电源、DIMM电源等,其上电时序和掉电时序必须满足平台的PDG或EDG的时序要求,如若不然,某些BUG可能就脱颖而出(狗头。毕竟咱自己给自己挖过坑,调试时出现各种奇葩问题,这台机器AC cycle跑不起来、那台产品触发保护机制……回忆当年,不争气的眼睛又进了沙子)。关于电源轨简称或命名的详细含义,请自学~

        话不多说,先贴图为证。

        1. Power Up Sequence 简略图(G3->S5->S0)

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        2. Power Down Sequence简略图(S0->S5)

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        3. 详细时序图

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第二节:FPGA控制CPU的时序

        1.三段式状态机FSM

        整个核心的时序控制逻辑分为三部分,第一部分为状态转移逻辑;第二部分描述状态转移条件和规律;第三部分为输出控制逻辑。详细介绍如下:

        1.1 状态转移逻辑(时序逻辑)
//1	Sequential state transition 
always@( posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n)begin
	if(!i_sys_rst_n)
		r_current_state <= FSM_IDLE;
	else 
		r_current_state <= r_next_state ;
end
        1.2 状态转移条件和规律(组合逻辑)
//2	Combinational condition judgment 
always@(*) begin
	if(!i_sys_rst_n) begin
		w_delay_start  = 1'b1;
		w_delay_ms_cnt = 8'd49;
		w_timeout_cnt  = 8'd49;
	end
	else begin
		case(r_current_state)

			FSM_IDLE : begin	
				if(i_config_error || w_pwr_fault_flg)
					r_next_state = FSM_IDLE;
				else if(w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = AUX_DELAY_G0;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state   = FSM_AUX_G0_PWR_ON;
				end
				else 
					r_next_state = FSM_IDLE;
			end
			
			FSM_AUX_G0_PWR_ON : begin
				w_delay_start = 1'b1;
                // (power on timeout | power run down) & (~forced power on)
				if(w_pwr_fault_flg)	
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if((&i_aux_g0_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done)begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = AUX_DELAY_G1;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state   = FSM_AUX_G1_PWR_ON;
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_G0_PWR_ON;
			end
				
			FSM_AUX_G1_PWR_ON : begin
				w_delay_start  = 1'b1;
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if((&i_aux_g1_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					w_delay_ms_cnt = (AUX_PWR_GROUP > 2) ? AUX_DELAY_G2	: RSMRST_DELAY;
					r_next_state   = (AUX_PWR_GROUP > 2) ? FSM_AUX_G2_PWR_ON : FSM_AUX_PWR_OK;
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_G1_PWR_ON;
			end
	        
            ......

			FSM_AUX_G4_PWR_ON : begin
				w_delay_start  = 1'b1;
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if((&i_aux_g4_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;	
					w_delay_ms_cnt = RSMRST_DELAY;							
					r_next_state   = FSM_AUX_PWR_OK;
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_G4_PWR_ON;
			end
				
            // power stby ok
			FSM_AUX_PWR_OK : begin										
				w_delay_start  = 1'b1;	
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;				
				else if(w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start = 1'b0;
					w_timeout_cnt = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state  = FSM_SYS_PWR_ON;
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_PWR_OK;
			end
				
			FSM_SYS_PWR_ON : begin
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;			
				else if(r_system_pwron | i_forced_pwron) begin
					w_delay_ms_cnt = MAIN_DELAY_G0;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state   = FSM_MAIN_G0_PWR_ON;
				end
				else
					r_next_state = FSM_SYS_PWR_ON;						
			end
					
			FSM_MAIN_G0_PWR_ON : begin
				w_delay_start  = 1'b1;
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if((&i_main_g0_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = MAIN_DELAY_G1;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state   = FSM_MAIN_G1_PWR_ON;
				end
				else
					r_next_state = FSM_MAIN_G0_PWR_ON;
			end		

            ......

			FSM_MAIN_G9_PWR_ON : begin
				w_delay_start = 1'b1;
				if(w_pwr_fault_flg)										
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if((&i_main_g9_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done) begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_timeout_cnt  = TIMEOUT_COUNT;
					r_next_state   = FSM_CPUDONE;
				end
				else
					r_next_state = FSM_MAIN_G9_PWR_ON;
			end
				
			FSM_CPUDONE : begin
				if(w_pwr_fault_flg)
					r_next_state = FSM_PWR_FAIL;
				else if(!r_system_pwron)
					r_next_state = FSM_PWR_DOWN;
				else
					r_next_state = FSM_CPUDONE;
			end

			FSM_PWR_FAIL : begin
				r_next_state = FSM_PWR_DOWN;
			end

			FSM_PWR_DOWN : begin
				case(MAIN_PWR_GROUP)
						
					8'd10 	: begin 
                        w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_MAIN_G9_PWR_OFF; 
                    end

                    ......

					8'd4  	: begin 
                        w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_MAIN_G3_PWR_OFF; 
                    end
						
					default : begin 
                        w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_MAIN_G9_PWR_OFF; 
                    end
				endcase
			end

			FSM_MAIN_G9_PWR_OFF : begin
				w_delay_start  = ~(|i_main_g9_pwr_pgd);			
				if(w_delay_ms_done)begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY;
					r_next_state   = FSM_MAIN_G8_PWR_OFF;
				end
				else
					r_next_state = FSM_MAIN_G9_PWR_OFF;
			end

				......
				
			FSM_MAIN_G0_PWR_OFF : begin
				w_delay_start  = ~(|i_main_g0_pwr_pgd);
				if(w_delay_ms_done)begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY;
					if(w_pwr_fault_flg)						
						r_next_state = FSM_CLEAR_FAULT;
					else
						r_next_state = FSM_SYS_PWR_ON;
				end
				else
					r_next_state = FSM_MAIN_G0_PWR_OFF;
			end

			FSM_CLEAR_FAULT : begin
				if(~(w_aux_timeout_flg | w_aux_rundown_flg) && i_clear_fault)								
					r_next_state = FSM_SYS_PWR_ON;
				else if(w_aux_timeout_flg | w_aux_rundown_flg)
					r_next_state = FSM_AUX_PWR_FAULT;
				else
					r_next_state = FSM_CLEAR_FAULT;
			end
				
			FSM_AUX_PWR_FAULT : begin
				case(AUX_PWR_GROUP)
						
					4'd5 : begin 
                        w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_AUX_G4_PWR_OFF; 
                    end

					4'd3 : begin 
                        w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_AUX_G2_PWR_OFF; 
                    end
						
					default : 
                        begin w_delay_start = 1'b0; 
                        w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY; 
                        r_next_state = FSM_AUX_G4_PWR_OFF; 
                    end
				endcase					
			end

			FSM_AUX_G4_PWR_OFF	: begin
				w_delay_start  = ~(|i_aux_g4_pwr_pgd);
				if(w_delay_ms_done)begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY;
					r_next_state = FSM_AUX_G3_PWR_OFF;	
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_G4_PWR_OFF;				
			end

			......
				
			FSM_AUX_G0_PWR_OFF	: begin
				w_delay_start  = ~(|i_aux_g0_pwr_pgd);
				if(w_delay_ms_done)begin
					w_delay_start  = 1'b0;
					w_delay_ms_cnt = PWR_OFF_DELAY;
					r_next_state = FSM_IDLE;	
				end
				else
					r_next_state = FSM_AUX_G0_PWR_OFF;				
			end
				
			default : begin
				r_next_state = FSM_IDLE;				
			end
				
		endcase
	end	
end
        1.3 输出控制逻辑(时序逻辑)
//	3 the sequential FSM output 
always@(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n)begin
	if(!i_sys_rst_n)begin	
		o_aux_g0_pwr_en	 <= {AUX_NUM_G0 {1'b0}};
        ......
		o_aux_g4_pwr_en	 <= {AUX_NUM_G4 {1'b0}};	
		o_main_g0_pwr_en <= {MAIN_NUM_G0{1'b0}};
        ......
		o_main_g9_pwr_en <= {MAIN_NUM_G9{1'b0}};	
		o_sys_power_good <= 1'b0;
		o_cpu_rsmrst_n	 <= 1'b0;	
	end
	else if((r_next_state == FSM_IDLE))begin
		o_aux_g0_pwr_en	 <= {AUX_NUM_G0 {1'b0}};
        ......
		o_aux_g4_pwr_en	 <= {AUX_NUM_G4 {1'b0}};	
		o_main_g0_pwr_en <= {MAIN_NUM_G0{1'b0}};
        ......
		o_main_g9_pwr_en <= {MAIN_NUM_G9{1'b0}};
		o_sys_power_good <= 1'b0;
		o_cpu_rsmrst_n	 <= 1'b0;	
	end		
	else begin
		o_aux_g0_pwr_en  <= (r_next_state == FSM_AUX_G0_PWR_ON ) ? {AUX_NUM_G0 {1'b1}} : ((r_next_state == FSM_AUX_G0_PWR_OFF ) ? {AUX_NUM_G0 {1'b0}} : o_aux_g0_pwr_en );
        ......
		o_aux_g4_pwr_en  <= (r_next_state == FSM_AUX_G4_PWR_ON ) ? {AUX_NUM_G4 {1'b1}} : ((r_next_state == FSM_AUX_G4_PWR_OFF ) ? {AUX_NUM_G4 {1'b0}} : o_aux_g4_pwr_en );	
		o_main_g0_pwr_en <= (r_next_state == FSM_MAIN_G0_PWR_ON) ? {MAIN_NUM_G0{1'b1}} : ((r_next_state == FSM_MAIN_G0_PWR_OFF) ? {MAIN_NUM_G0{1'b0}} : o_main_g0_pwr_en);
        ......
		o_main_g9_pwr_en <= (r_next_state == FSM_MAIN_G9_PWR_ON) ? {MAIN_NUM_G9{1'b1}} : ((r_next_state == FSM_MAIN_G9_PWR_OFF) ? {MAIN_NUM_G9{1'b0}} : o_main_g9_pwr_en);	
		o_sys_power_good <= (r_next_state == FSM_CPUDONE 	) ? 1'b1 : ((r_next_state == FSM_PWR_DOWN	) ? 1'b0 : o_sys_power_good	);
		o_cpu_rsmrst_n	 <= (r_next_state == FSM_AUX_PWR_OK	) ? 1'b1 : ((r_next_state == FSM_CLEAR_FAULT) ? 1'b0 : o_cpu_rsmrst_n	);
	end	
end

        2.上电超时和异常掉电逻辑

        2.1 上电超时
always@(posedge isys_clk or negedge isys_rst_n)begin
	if(!isys_rst_n) begin
		rPWR_RUNTIME <= 1'b0;	
	end
	else begin
		if((rPWR_RISE_TIME_COUNT == POWER_RUNTIME_NUM) && (rPWR_RUNDOWN == 1'b0))begin
			rPWR_RUNTIME <= 1'b1;
		end
		else begin
			rPWR_RUNTIME <= rPWR_RUNTIME;
		end
	end
end

always@(posedge i10ms_clk or negedge isys_rst_n)begin
	if((!isys_rst_n) || (!iEN_POWER))begin
		rPWR_RISE_TIME_COUNT <= 16'h0000;	
	end
	else if((rPWR_RISE_TIME_COUNT == POWER_RUNTIME_NUM)||(iPGD_POWER == 1'b1)) begin
		rPWR_RISE_TIME_COUNT <= rPWR_RISE_TIME_COUNT ;
	end
	else begin	
		rPWR_RISE_TIME_COUNT <= rPWR_RISE_TIME_COUNT + 1'b1;
	end
end
        2.2 异常掉电
always@(posedge isys_clk or negedge isys_rst_n)begin
	if(!isys_rst_n) begin
		rPWR_RUNTIME_Q1 <= 1'b0;
		rPWR_RUNTIME_Q2 <= 1'b0;	
		rPWR_RUNTIME_Q3 <= 1'b0;	
	end
	else begin
		rPWR_RUNTIME_Q1 <= iPGD_POWER;
		rPWR_RUNTIME_Q2 <= rPWR_RUNTIME_Q1;
		rPWR_RUNTIME_Q3 <= rPWR_RUNTIME_Q2;
	end
end

assign wPWR_FAILURE_FLG = (~rPWR_RUNTIME_Q1) && (rPWR_RUNTIME_Q3);		

always@(posedge isys_clk or negedge isys_rst_n)begin
	if(!isys_rst_n || !iPREVIOUS_PGD) begin
		rPWR_RUNDOWN <= 1'b0;	
	end
	else if(wPWR_FAILURE_FLG) begin
		rPWR_RUNDOWN <= 1'b1;
	end
	else begin
		rPWR_RUNDOWN <= rPWR_RUNDOWN;
	end
end

        3.计数器计时逻辑

always @(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n or negedge i_start)begin
	if (!i_sys_rst_n | !i_start) begin					
		r_done	<= 1'b0;					
		r_count	<= 8'h00;	
	end
	else if(i_sample_clk)begin
		if(i_delay_cnt == (r_count + 1'b1))begin
			r_done  <= 1'b1;
			r_count <= 8'h00;
		end
		else begin							
			r_done	<= 1'b0;
			r_count	<= r_count + 1'b1;
		end
	end
end

assign o_done = r_done;

第三节:逻辑解析

        1. 模块输入信号

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        2. 模块输出信号

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        3. 模块传递参数

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        4. 边沿检测

        小举栗子(上升沿检测)

        4.1 Verilog源码
always@(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n)begin
	if(!i_sys_rst_n) begin
		r_siganl_d1_q <= 1'b0;
		r_siganl_d2_q <= 1'b0;
	end
	else begin
		r_siganl_d1_q <= signal_in;
		r_siganl_d2_q <= r_siganl_d1_q;
	end
end

assign 	w_rising_edge 	= r_siganl_d1_q & (~r_siganl_d2_q);
assign	w_falling_edge	= r_siganl_d2_q & (~r_siganl_d1_q);
        4.2 Visio波形图

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         4.3 数字逻辑图

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        5. 延时计数器

        5.1 Verilog源码
always @(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n or negedge i_start)begin
	if (!i_sys_rst_n | !i_start) begin					
		r_done	 <= 1'b0;					
		r_count <= 8'h00;	
	end
	else if(i_sample_clk)begin
		if(i_delay_cnt == (r_count + 1'b1))begin
			r_done  <= 1'b1;
			r_count <= 8'h00;
		end
		else begin							
			r_done	 <= 1'b0;
			r_count <= r_count + 1'b1;
		end
	end
end
assign	o_done = r_done;
        5.2 Visio波形图

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        5.3 数字逻辑图

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        6. 采样时钟

        6.1 Verilog 源码
parameter DIV_NUM = 6;

always@(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n)begin
	if(!i_sys_rst_n)
		r_div_cnt <= 8'h00;
	else if(r_div_cnt == DIV_NUM)
		r_div_cnt <= 8'h00;
	else 
		r_div_cnt <= r_div_cnt + 1'b1;
end

always@(posedge i_sys_clk or negedge i_sys_rst_n)begin
	if(!i_sys_rst_n)
		r_div_clk <= 1'b0;
	else if(i_div_en)
		r_div_clk <= (r_div_cnt == DIV_NUM) ? 1'b1 : 1'b0;
	else
		r_div_clk <= r_div_clk;
end
assign	o_div_clk = r_div_clk;
        6.2 Visio波形图

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        6.3 数字逻辑图

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7. 状态转移逻辑

        7.1 Verilog源码
FSM_GROUP1_PWR_ON : begin
	w_delay_start = 1'b1;
	if(w_pwr_fault_flg)		// (power on timeout | power run down) & (~forced power on)
		r_next_state 	= FSM_PWR_FAIL;
	else if((&i_main_g5_pwr_pgd | i_forced_pwron) && w_delay_ms_done) begin
		w_delay_start  	= 1'b0;
		w_timeout_cnt  	= TIMEOUT_COUNT;
		w_delay_ms_cnt 	= (MAIN_PWR_GROUP > 2) ? MAIN_DELAY_G6 : w_delay_ms_cnt;
		r_next_state      	= (MAIN_PWR_GROUP > 2) ? FSM_GROUP2_PWR_ON : FSM_CPUDONE;
	end
	else
		r_next_state 	= FSM_GROUP1_PWR_ON;
end
        7.2 数字逻辑图

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第四节:时序仿真结果

        哈哈哈哈哈,Testbench.v测试激励文件想要不,哈哈哈哈哈!!!

        先不说了,直接放结果,信息量有点大(包含上电超时和异常掉电的仿真波形),慢慢品哦^_^

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第五节:优化逻辑资源

        咋滴,这部分你也想CV,不可能,绝不可能!开个玩笑!!

        此优化部分需要结合自己的实际项目平台(因为不同平台的电源轨数目有所差异,状态机的状态数目也应有相应的变化)。因此,如何优化power sequence Verilog模块并运用在自己的项目上,待续……

第六节:参考资料

        [1] 633502 Birch Stream-SP Platform Design Guide Rev0.7 2022

        [2] 772467_BHS_Intel_PFR_FPGA_Source_Code_Rev0_5.7Z

        [3] 自己脑袋里的江湖(浆糊)文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-853174.html

到了这里,关于X86 CPU Power Sequence控制之FPGA代劳的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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