嵌入式硬件供电时序控制方法的研究.pdf

引用格式:刘博邱凯强赵谦.嵌入式硬件供电时序控制方法的研究.航空计算技术():.():.嵌入式硬件供电时序控制方法的研究刘 博邱凯强赵 谦(航空工业西安航空计算技术研究所陕西 西安)摘 要:针对嵌入式计算机系统中集成电路的可靠性应用对嵌入式硬件供电时序控制方法进行了研究 介绍了三种典型的供电时序控制方式:电源芯片自身调节、电源芯片级联控制法和 控制上电时序三种方法实现复杂度不一各具优点可以在不同的场景下组合使用 给出在 /最小处理系统的供电时序控制设计应用分析了/最小处理系统的供电电源和上电时序需求设计实现了/最小处理系统的电源转换电路和上电时序控制设计简单灵活可满足多种系统需求关键词:可靠性供电时序控制/最小处理系统中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:././.:/引言随着嵌入式集成电路的发展大规模集成电路芯片的功能不断丰富性能不断提升同时芯片供电需求也在不断变化从单一供电到多种供电并且具有上电顺序要求例如:早期的、低功耗处理器仅需核电和接口 种工作电压且无上电顺序要求 现阶段的 /高性能处理器需要.、.、.和.共 种的内核、模拟/数字、模拟/数字、内存、接口等工作电压且有 步上电顺序要求 稳定的供电是嵌入式集成电路高可靠工作的基础如何设计合理的供电架构是嵌入式硬件设计中至关重要的一步本文对现有嵌入式硬件的供电时序控制方法进行了研究分析首先提取出三种典型的供电时序控制方法:电源芯片自身调节、电源芯片级联控制和 控制上电时序该三种方法各具优点可以在不同场景下组合使用然后给出了 /最小处理系统的供电时序控制设计 典型供电时序控制方法.电源芯片自身调节电源芯片通常设计有上电使能和软启动控制管收稿日期:基金项目:航空科学基金项目资助()作者简介:刘 博 )男陕西宝鸡人高级工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .脚例如 系列芯片的/、/管脚 通过控制上电使能实现上电转换启动通过调整软启动电容容值配置上电斜率.直接使能法将电源芯片的/管脚直接上拉或通过电阻上拉至 当 电压高于使能阈值时启动电源转换工作实现上电即输出.延迟使能法如图 所示电源芯片的/管脚接至 电路通过调整电阻和电容的值控制/管脚到达使能阈值的时间长短例如将 的参数设置比 小即可实现 比 早上电图 延迟使能图示利用 延迟电路让输入电压达到趋近稳定时再开启 能获得更加稳定的输出电压可以避免输出电压受刚上电时输入电压波动影响.软启动控制法将电源芯片的/管脚串接电容 接地可以提供电源芯片的软启动功能即控制输出电压的上升时间例如 芯片的软启动时间计算公式为 ./.将 调整大可以获得更缓的爬升斜率、更小的冲击电流.电源芯片级联控制电源芯片通常设计有 电源良好指示管脚电源正常输出时为开路状态电源异常时为地可以用不同电源芯片或者电源芯片不同通道间的 进行级联使能如图 所示在存在明确先后顺序的多电源电路中可以用上一级电源转换电路的 来控制下一级电源转换的上电使能图 电源芯片级联控制图示.控制上电时序 可编程控制逻辑具有精度高、可靠性高、可重构性高、扩展性好、开发周期短等的特点因此在复杂、高精度供电时序需求下多采用(或)控制上电时序将 的 管脚连接至电源芯片的上电使能管脚(需要做下拉处理)内部控制逻辑按多种电源的上电时序要求进行时延、输出控制控制精度由逻辑内部时钟频率的精度决定.对比分析如表 所示该三种供电时序控制方法实现复杂度不一各具优点适用于不同场景在通常供电设计中组合使用表 三种时序控制方法对比控制方法实现复杂度描 述电源芯片自身调节简单能够实现上电时序和上电时间控制适用于简单、上电时序精度要求不高场景电源芯片级联控制简单实现简单的多级上电时序使用时需考虑器件 级 联 间 的 干 涉问题 控制上电时序较复杂能够实现复杂、高精度的上电时序控制设计灵活适合带 的复杂功能电路 /最小处理系统供电设计./最小处理系统结构/最小处理系统采用飞腾四核处理器/作为主处理器其 内核主频 /最小处理系统组成结构如图 所示处理器具有独立的存储资源:双通道、和 通过可编程控制逻辑器件()实现复位控制、上电时序控制、从设备控制、看门狗和寄存器等功能同时 对外引出多路 供中断、复位、离散量使用 路 串口供调试使用处理器引出 路 接口供以太网接口使用处理器通过 高速总线进行数据交互图 /最小处理系统结构 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期./最小处理系统供电需求/最小处理系统的供电电压需求如表 所示共需 种类型电压其中 /处理器需要 种工作电压且有上电时序要求 需要 种工作电压无上电时序要求表 /最小处理系统供电电压需求序号电压/主要需求芯片备 注.芯片接口工作电压./供电、工作电压、接口电压./接口电压.核电./核电./参考电压/处理器上电时序具体要求如下其中 和 为典型间隔时间:./.释放 释放./最小处理系统供电时序设计/最小处理系统供电时序设计分为电源转换电路和上电时序控制两部分:电源转换电路按照负载芯片工作电压和功耗需求选用电源芯片实现二次电源的转换上电时序控制按照 /处理器上电时序要求进行上电控制实现多个电压的有序上电.电源转换电路设计电源转换电路设计如图 所示 的.和其他.分开供电确保 早于 /处理器正常工作进行处理器上电控制 种电压采用的电源转换如下:)采用 片:通道 实现 至 /的.的电源转换最大输出电流 通道 实现 至 中 的.电源转换最大输出电流 )采用 片 实现 中 和 的.供电输出电流 )采用 片:通道 实现 至.的电源转换最大输出电流.通道 实现 至.的电源转换最大输出电流.)采用 片:通道 实现 至.()的电源转换最大输出电流.通道 实现 至.()的电源转换最大输出电流.图 /最小处理系统供电结构.上电时序控制设计如图 所示 /最小处理系统上电后首先./.()/.直接上电其次 加载完成正常工作后控制.和.上电然后 上电控制逻辑延迟 后控制.上电最后 上电控制逻辑延迟 后控制.上电完成整个电路上电图 /最小处理系统上电流程示意如表 种所示 种电压的上电控制实现采用了电源芯片自身调节的直接使能法、软启动控制法以及 控制上电时序相互组合实现 种电压有序上电 结束语本文给出了三种典型的嵌入式硬件供电时序控制方法实现了 /最小处理系统的供电时序控制设计三种方法各具优点可以灵活组合应用能够满足多种系统供电需求 随着嵌入式计算机领域的不断发展应结合实际需求规范化、标准化硬件供电电路设计减少设计迭代降低开发成本 年 月刘 博 等:嵌入式硬件供电时序控制方法的研究 表 种电压上电控制实现方式表序号电压/上电控制实现方式.芯片 的通道 采用 上拉直接使能和软启动控制.()芯片 的通道 采用 上拉直接使能和软启动控制.芯片 的通道 采用 上拉直接使能和软启动控制.芯片的通道 采用 控制 和软启动控制.芯片的通道 采用 控制.芯片的通道 采用 控制 和软启动控制.芯片 的通道 采用采用 控制 和软启动控制参考文献:.:.:.天津飞腾信息有限公司./系列处理器数据手册.天津:天津飞腾信息有限公司.北京七星华创电子股份有限公司./型/转换器详细规范.北京:北京七星华创电子股份有限公司.北京七星华创电子股份有限公司./型/转换器详细规范.北京:北京七星华创电子股份有限公司.(上接第 页)核间通信框架硬件测试环境如图 所示 台 机、台国产/目标机(主频.)通过 台以太网交换机连接用于加载待测试程序及调试控制目标机的串口通过 台 经以太网交换机连接到 机用于查看目标机程序的执行输出图 硬件测试环境在四核处理器平台测试多核并行触发核间交互记录核间交互发起时间并在消息处理入口获取进入处理时的时间通过两个时间的差值计算得到每次核间交互的响应时间通过串口输出测试结果 图 是捕获的部分测试结果通过实验数据分析发现核间交互响应时间稳定在.结束语在操作系统中实现该核间通信框架同一时刻可以有多个处理器核向多个处理器核发起核间交互目的核能够在一次中断退出时处理多个处理器核间交互提高处理器核间交互并行性和实时性 主要体现在:每个处理器核有专用的核间交互通道不需要与其他处理器核共享交互通道可同时有多个源核发起核间交互各个处理器核可同时处理自己的核间交互数据目的核在中断退出时处理专用交互通道中的交互数据避免在中断处理程序中处理大量数据而引导的中断处理时间过长问题图 核间交互时间测试结果参考文献:.:().罗殊彦朱怡安曾诚.嵌入式异构多核处理器核间的通信性能评估与优化.计算机科学.():.周楠王仁覃依漪等.基于异构多核环境下的核间通信机制设计与实现.计算机工程与设计():.冯瑞青张激赵俊才.异构处理器多操作系统协同技术研究.计算机系统应用.():.航 空 计 算 技 术 第 卷第 期