主板RESET分析

主板RESET 主板技术—系统RESET分析 第 1 页 共 12 页 主板RESET分析 我们知道，对于计算机用户来说，RESET在多数情况下都是一种正常的人为操作。最熟悉的就是在机箱前面板上有一个专门用于执行RESET操作的RESET按键，还有在某些高级操作系统如WIN95/98/2000的启始菜单中也有重新启动的功能。但您在实际工作中一定也遇见过非人为的RESET现象，有时甚至令您莫名其妙，因为当时您不希望系统RESET。那么这时出现的RESET现象就是不正常的，是一种故障。这一故障可能我们经常使用电脑的人都遇见过。我们现在就要分析一下有关RESET的原理及造成RESET故障的可能因素。主要包括下列内容: 一、 RESET的分类、原理及实现过程。 二、 导致非正常RESET的可能因素。 三、 测试。 四、 生产中的相关问题分析。 一、RESET的分类、原理及实现过程 1、RESET的分类: 从用户的使用角度来分，可分为正常RESET和非正常RESET。正常RESET即用户由于某种原因人为执行的RESET操作;非正常RESET即非人为的操作，是由于系统工作不正常后由BIOS引起的Soft RESET或某种情况下硬件上的信号干扰造成的。 从原理上来分，可分为硬件引起的RESET和操作系统或BIOS引起的Soft RESET。这两种引起RESET的原因都可能是正常的，也可能是非正常的。 2、RESET的原理: 无论是正常RESET还是非正常RESET，或者硬件RESET还是Soft RESET，其最根本的原理都是相同的，最终反映到硬件逻辑上都是引发主板上的南桥或ICH发出PCIRST#而引起的。下面我们集中讨论一下RESET的原理: 首先介绍重要的信号PCIRST#: PCIRST#是由南桥或ICH发出的一个信号，发出的目的原意是为了复位挂在PCI总线上的设备，而现在PCIRST#的意义已经不仅仅限于PCI设备，它已经成为整个系统全面复位的控制信号，通过控制其它设备的RESET信号来达到系统全面复位的目的。下面我们看一下PCIRST#都控制哪 主板技术—系统RESET分析 第 2 页 共 12 页 些设备的RESET信号。 以最新的i815主板为例，大多数设备(特别是PCI设备)的RESET都是由PCIRST#直接控制的。如图一所示: CPU SDRAM Solano 82815 PCI CONNECTOR PCIRST# ICH AC97 82801AA LPC AGP4X IDE Super FWH I/O (图一 直接由PCIRST#信号控制的设备) 这些直接由PCIRST#控制的设备包括:GMCH、Super I/O、FWH、IDE、AGP、AC97、PCI Connector(其中ICH本身、Super I/O、FWH都属于PCI设备)，PCIRST#从ICH发出后直接连接到上述设备的RESET pin，控制这些设备的RESET。 另外有些设备没有由PCIRST#直接控制，最典型的就是CPU的RESET动作，它是由PCIRST#间接控制的。CPU的RESET相对复杂一点，如图二: 主板技术—系统RESET分析 第 3 页 共 12 页 (图二 CPU的RESET) A20M#、IGNE#、INTR、NMI信号用于控制CPU的倍频，它被设置好后存在ICH的RTC中。下一步取决于系统从什么状态返回，如果系统从S1状态返回则不会有任何RESET动作;如果系统从S3、S4、S5状态返回，则当PWROK由低变高后，ICH读取RTC中的CPU倍频信息，同时在PWROK发出并稳定至少1ms后，PCIRST#随之发出，ICH根据读取到的CPU倍频信息驱动A20M#、IGNE#、INTR、NMI信号并暂时HOLD，直到GMCH发出CPURST#给CPU至少120ns后ICH才将这些信号的状态输入给CPU，这是CPU的RESET过程。 总之是利用PCIRST#信号来控制其它各种设备的RESET引脚，使这些设备能完成RESET动作。下面我们看一下引发PCIRST#的原因，概括起来主要有三个方面的原因: (1) 系统在S0和S3、S4、S5状态相互转换的过程中会引发PCIRST# (2) 通过机箱RESET按键和操作系统中的RESET功能可引发PCIRST# (3) BIOS自发的Soft Reset会引发PCIRST# 下面我们分别讨论这三种情况: (1)、系统在S0和S3、S4、S5状态相互转换的过程中引发PCIRST# 主板技术—系统RESET分析 第 4 页 共 12 页 我们可以参考主板的电路图来讨论，这种情况主要指的是系统开关机、STR、STD引发PCIRST#的情况。 (图三 RESET逻辑) (图四 POWER ON逻辑) 如图三、图四，以开机过程为例，POWERSW-是按下机箱的开机按钮时产生的开机信号，POWERSW-输入到Super I/O的内部开机逻辑后使系统上电，当 主板技术—系统RESET分析 第 5 页 共 12 页 主机电源的+5V(或+3.3V)稳定后大约1-5ms，主机电源的PWR-GD、Super I/O的PWR-OK、VRM的VRMPWRPG都上升为高电平并达到稳定，它们经过“与”运算后分别输入给CPU(POWERGOOD)和ICH(PWROK)，PWROK信号上升并稳定在高电平至少1ms后，ICH向各设备发出PCIRST#，系统开始初始化和自检。 PWRSW T1 Vcc3.3(Vcc5) PWROK T2 T3 PCIRST# 上图中T1为POWERSW-有效到Vcc3.3(Vcc5)达到稳定的时间，包括内部逻辑执行时间至少为2个RTCCLK周期(62us)、外部逻辑执行时间取决于主机电源的Vcc3.3(Vcc5)的上升时间; T2为Vcc3.3(Vcc5)达到稳定到PWROK上升并稳定为高电平所需的时间，规格T2至少为1ms; T3为PWROK稳定到PCIRST#上升并稳定所需的时间，规格要求T3不得少于1ms，不得大于1.16ms。 上面是开机过程中产生PCIRST#的情况，事实上系统在S0和S3、S4、S5之间切换的过程中都会产生PCIRST#。可以以S0和S5之间的切换为例来说明问题，下图五所示的就是S0—S5—S0之间切换时关键信号的波形和时序: 主板技术—系统RESET分析 第 6 页 共 12 页 (图五) (2)通过机箱RESET按键和操作系统中的RESET功能引发PCIRST# 除了在S0和S3、S4、S5之间切换的过程之外，通过机箱上的RESET按键或通过操作系统执行的RESET操作也会引发PCIRST#。 通过机箱上的RESET按键执行RESET:这个操作和开关机操作的情况不同，一个区别是RESET操作不涉及主机电源的开关动作，因此在RESET过程中Vcc3.3(Vcc5)一直是稳定的，不存在Vcc3.3(Vcc5)的上升时间方面的问题。另外RESET按键引起的RESET是通过控制PWROK信号来实现的，如图三所示:图中的BIOSRST信号被连接到机箱的RESET按键上，按下RESET按键实际上就相当于将BIOSRST接地，通过图三的逻辑可以分析出BIOSRST为低电平后，PWROK随即也变为低电平，PWROK被拉低后，PCIRST#也被拉低。当放开机箱RESET按键后BIOSRST恢复为高电平，PWROK随即恢复，导致PCIRST#又恢复为高电平，引起系统初始化和自检，这就是通过机箱按键的RESET过程。可以看出，这一过程并不涉及SLP-S3、SLP-S5信号的变化。 主板技术—系统RESET分析 第 7 页 共 12 页 BIOSRST PWROK T3 3 PCIRST# T 上图中T为PCIRST#的活动时间(处于低电平的时间)，规格要求T不能少于1ms。 T3为PWROK稳定到PCIRST#上升并稳定所需的时间，规格要求T3不得少于1ms，不得大于1.16ms。 通过操作系统中的RESET功能执行RESET:这种情况是通过操作系统的RESET功能来实现的，比如通过WIN98的启始菜单执行的RESET动作就属于这种情况。通过操作系统执行的RESET动作和通过机箱RESET按键执行的RESET操作又是不同的。通过机箱RESET按键执行的RESET操作是通过控制PWROK信号来间接控制PCIRST#;而通过操作系统执行的RESET是直接控制PCIRST#，并不是通过控制PWROK来实现的，也就是说这一操作并不通过主板上的RESET逻辑。通过测量波形知道，执行这一操作时PCIRST#被拉低1.2ms，随即又恢复。而这一操作并不涉及PWROK、SLP-S3、SLP-S5等信号。 (3) BIOS自发的Soft Reset引发PCIRST# 上面我们讨论的都是人为引发PCIRST#的过程，也就是正常情况下的RESET动作。现在我们继续讨论非正常的RESET动作，那就是在系统处于某种非正常状态下，由BIOS自发的Soft Reset引发PCIRST#的过程(BIOS是引发Soft Reset还是采取其它动作是可通过对寄存器编程来决定的)。 BIOS为什么会自发引起PCIRST#呢,原因主要有以下两个方面: , TIME OUT:ICH内置了一个可编程的TCO TIMER(Total Cost of Ownership of System)用于探测系统是否锁定，第一次Time out后TCO TIMER产生一个 SMI#信号给CPU，目的为了使CPU从锁定状态恢复，如果CPU从锁定状态恢 复则TCO TIMER就不再动作;如果CPU仍不能脱离锁定状态，则在第二次 Time out后TCO TIMER将引发系统RESET。即TCO TIMER的第二次Time out 主板技术—系统RESET分析 第 8 页 共 12 页 将会引发PCIRST#，使系统Soft Reset(Time out的时间可由BIOS设定，从CPU 锁定时开始计时，超出所设置的时间后TCO TIMER即引发SMI#或 PCIRST#)。这是一种非正常RESET的情况，这种情况通常是由于操作系统 或应用软件在非正常状态下引起CPU锁定而造成的，通常的故障现象是系统 先死机(或因为繁忙)而不响应任何消息，随后发生重新启动现象。 , ECC ERROR REPORTING:当有ECC错误发生后，主控制器(ICH或北桥) 向ICH或南桥发出信号，指示ICH或南桥产生SMI#或Time out后的PCIRST# 等信号。这种情况下也能引起系统重启，但很难人为判断是否为ECC ERROR 引起的。 二、导致非正常RESET的可能因素 导致非正常RESET的可能因素很多，有硬件方面的因素，也有BIOS或操作系统方面的因素。其中我认为硬件方面的因素多一些，但相对简单一些，故障出现后比较直观，也容易查找原因;而对于BIOS或操作系统来说则复杂得多，如果对BIOS或操作系统的内核了解不深就很难判断问题原因，也就更难提出确切的解决，这时就需要软件工程师的配合。下面我们分别讨论一下: 硬件方面的因素:主要是因为两个重要信号PWROK、PCIRST#不正常或受到干扰引起的。 下面所介绍的引发故障的可能因素也是围绕这两个重要信号进行的。 1、电网或主机电源因素:我们已经知道，主机电源的PWR-GD、Super I/O的PWR-OK、VRM的VRMPWRPG三个信号经过“与”运算后，输出到CPU的POWERGOOD和ICH的PWROK管脚，只有PWROK维持在稳定的高电平后， PCIRST#才会稳定在高电平，一旦PWROK跌下，PCIRST#随即跌下，此时就会发生系统RESET。 正常情况下，如果主机电源满足SPEC要求，它在AC180V~AC260V之间都应该正常工作(其本身具有稳压设计)。如果交流网压低于AC180V，主机电源工作就可能不正常，此时主机电源的PWR-GD信号就有可能下跌，产生不定宽度的负脉冲，造成PCIRST#信号产生负脉冲，如果PCIRST#的负脉冲宽度超过1ms，系统就会出现RESET。也就是在交流网压不稳的地区可能会产生这种故障，或者主机电源本身就有故障导致PWR-GD不稳都可引起非正常的RESET。 2、CPU电源不稳定可能导致系统非正常RESET:我们知道，CPU的电源供 主板技术—系统RESET分析 第 9 页 共 12 页 应由VRM来控制，对于VRM器件本身来说，它有一个VRMPWRGD信号，当CPU工作电压VCCcore超过正常工作电压的?12%时，VRMPWRGD信号下跌，此时会引起PCIRST#下跌，造成系统非正常RESET。 (图六) 上图六就是一款VRM器件，它通过电压反馈VF取得实际输出的CPU核心电压VCCcore，一旦发现VCCcore超出正常值的?12%，VRM就会将Pin3 PWROK信号拉为低电平控制PCIRST#，导致系统非正常RESET，这也是一种非正常RESET的原因。 3、硬件干扰因素:这通常是主板设计者在某些环节上考虑不周造成的，比如由于布局或布线不妥当而使PWROK或PCIRST#受到其它信号的干扰而引起非正常RESET。在相关的SPEC中，PWROK、PCIRST#信号在排除干扰方面的要求是很严格的，对于线长、线宽、线间距都有特殊要求，另外严格避免和任何POWER类型的信号或有较强干扰的信号相临。如果PWROK、PCIRST#信号受到干扰则会导致非正常RESET，在稍后的案例中就有类似问题出现。 软件方面的因素:软件方面的原因很复杂，主要就是操作系统或应用软件引起CPU lock，CPU lock后ICH中TCO TIMER开始计时，当第一次time out后ICH向CPU发出SMI#，企图使CPU脱离lock状态，如果CPU不能脱离lock状态则第二次 主板技术—系统RESET分析 第 10 页 共 12 页 time out后ICH执行RESET功能，引起系统非正常RESET。 非正常RESET的判断:出现非正常RESET时，首先要判断是硬件引起的还是软件引起的。判断的实际上很简单，那就是用示波器观察ICH的PWROK信号，如果有PWROK信号下跌的情况则说明是硬件引起的RESET，因为Soft Reset不影响PWROK信号。此时就以PWROK为线索逐级向前端查找，直到最终找到问题原因或干扰源。另外就是观察PCIRST#(在确认PWROK没有下跌的情 .2ms，则况下)，如果在非正常RESET时，PCIRST#的低脉冲很整齐并且宽度在1最大可能性是Soft Reset，否则如果低脉冲波形比较杂乱并且宽度不定则最大可能是硬件上的干扰造成的，此时需要查看主板的PCB图，看和PCIRST#线相临的是什么线，用示波器观察其波形，判断是否会对PCIRST#造成影响(可用双踪示波器同时观察两个信号的波形)。 三、工程测试 1、 (此项主要检验主机电源)使用变压器对主机电源调压，当主机电源电 压设置在AC180V后(最好参照电源厂家的SPEC决定最低工作电压)，启 动计算机并启动WIN98，运行一些应用软件或测试软件，检验系统是否 会出现RESET现象。 2、 (此项为检验主板的PWROK信号和PCIRST#信号)使用拉偏电源并将拉 偏电源的+5V输出下拉到+4.75V，启动WIN98，运行测试软件或应用软 件，检验是否出现RESET现象。同时可用示波器观察主机电源的 PWR-GD、VRM的VRMPWRGD、Super I/O的PWROK及ICH的PWROK 信号，看其波形是否平稳，是否有较大的过冲(上冲或下冲);观察ICH 的PCIRST#信号，看其波形是否平稳，是否有较大的过冲(上冲或下冲)。 四、生产中的相关问题分析 案例1:以前南方厂在奔月2000生产过程中，曾出现这样的故障:交流拉偏时将AC220V拉到AC200V后，系统启动WIN98的过程中出现RESET现象，而进入DOS模式则不会出现RESET。 问题分析:经确认是当时供货的一批主机电源出现问题，不满足规格要求，当将交流电压拉偏到200V后，其+5V及+3.3V输出不正常，导致主机电源的PWR-GD信号出现下跌现象，从而引起PCIRST#出现负脉冲而导致系统非正常RESET。至于启动WIN98出现故障而启动DOS正常，主要是因为WIN98对系统的资源占用 主板技术—系统RESET分析 第 11 页 共 12 页 大。因为启动WIN98过程中CPU处理的数据量大大增加，内存、图形加速卡等环节也会因为处理图形界面及加载各种驱动程序和应用程序而大大增加功耗，所以出现上面的主机电源不正常情况下的RESET故障。 解决方案:确认为主机电源的故障，电源厂家经过检查发现是电源本身的稳压环节工作不正常，经改进后正常。 案例2:同禧机型近期曾出现过这样的故障:运行QAPLUS检测到speaker时，系统出现RESET，几次实验都出现相同的故障。 问题分析:经检查主板的PCB图发现，原因是BUZZER的Pin2到三极管Q8之间的导线(大约2公分)恰好和开机电路中的PWROK信号相临并保持平行大约2公分，结果在BUZZER工作时(通过控制三极管的开关频率来决定BUZZER发出的声音频率)，三极管开关动作产生的波动干扰了临近的PWROK，造成系统非正常RESET。 (图七) 解决方案:如图七，问题原因找到后，加上原本没有的C161电容以滤掉三极管 主板技术—系统RESET分析 第 12 页 共 12 页 开关动作所产生的波动，使PWROK不再受到干扰，故障才得以解决。 案例3:也是同禧机型近期出现的故障，现象是在WIN98中先出现死机，然后系统自动RESET。此现象复现起来很困难，有时几十分钟复现一次，有时几小时也复现不出。通过摸索发现当打开多个窗口的情况下容易复现一些。 故障分析:通过用示波器观察PWROK、PCIRST#的波形发现，PWROK信号在故障出现时没有下跌动作;PCIRST#信号正常情况下是平稳的，没有严重的过冲现象，只是当故障出现时，PCIRST#产生一个良好的负脉冲(1.2ms)，由此可以说明这一故障不是硬件因素造成的，而是由软件因素造成的(很可能是某种软件引起CPU lock)。进一步测量发现故障出现时ICH曾发出SMI#，系统没有恢复(当时处于死机状态)，一段时间后，ICH发出1.2ms的PCIRST#，引起系统非正常RESET。 解决方案:确定是软件引起的RESET，但不能确定具体是哪一软件引起的，因此将系统格式化掉之后，按照原来硬盘中所安装的软件的顺序和内容重新安装，每安装完一个软件后即进行测试，最终发现是Crystal Audio Codec的Driver有问题，是引发CPU lock的主要因素，经Crystal改进其Driver后问题得以解决。