CN102866936A - X86平台上的双rtc/cmos ram数据备份方法 - Google Patents

X86平台上的双rtc/cmos ram数据备份方法 Download PDF

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Abstract

本发明的X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法，由硬件和固件结合实现，可大大延长RTC/CMOS RAM数据的有效保持时间；无需驱动程序支持，对运行在X86平台上的软件，都能保证完全的兼容性。本发明的硬件结构包括内部RTC/CMOS RAM、外部RTC/CMOS RAM、串行通讯接口、后备电池以及后备供电电路。系统上电后，初始化固件程序完成从外部RTC/CMOS RAM到内部RTC/CMOS RAM的数据复制；此后当系统睡眠状态将要发生转移时，执行或被触发执行SMI固件程序，完成从内部RTC/CMOS RAM到外部RTC/CMOS RAM的数据备份。本发明硬件成本低、软件兼容性好，实用性强，适合高可用性X86计算机系统的要求。

Description

X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法
技术领域
本发明涉及X86计算机系统结构中的RTC/CMOS RAM(实时时钟/互补金属氧化物半导体的随机访问存储器)、SMI(系统管理中断)、ACPI(高级配置和电源接口规范)以及Bios(基本输入输出系统)等技术领域，具体是一种由硬件和固件(固化软件，firmware)结合实现的、X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法。
背景技术
RTC/CMOS RAM是X86计算机系统中传统的、标准的和必须的功能电路，用于保持实时时钟、存储配置信息和定时唤醒系统等。这一部分的功能电路，现在都已经被集成到X86平台CPU/芯片组的内部，在本说明书中，称之为内部RTC/CMOS RAM。
由于X86计算机系统的开放性和兼容性的要求，内部RTC/CMOS RAM中各寄存器的功能和作用、访问它们的地址和方式等，都有明确的、标准的行业技术规范，要求与PC/AT最初所采用的MC146818芯片兼容。因此，所有运行在X86平台上的系统软件(如操作系统、中间件)和应用软件，都是依照PC/AT的标准规范，来访问内部RTC/CMOS RAM。
为了保证内部RTC/CMOS RAM能够持续工作，一般采用图2所示的电路，在系统完全断电的情况下，由后备电池对内部RTC/CMOS RAM供电，提供的电流一般小于10μA。但是实际上，由于芯片内部设计和制造工艺方面的原因，有些X86平台CPU/芯片组需要较大的电流来维持内部RTC/CMOS RAM工作，例如，Intel于2010年发布的新款嵌入式X86 CPU Atom E6xx系列(代号Tunnel Creek)，需要消耗高达33～36μA的电流。
以上述CPU为例，选取常用的Panasonic CR2032钮扣型锂电池(尺寸Φ20.0mm×3.2mm，标称容量225mAH)作为后备电池，RTC/CMOS RAM数据的有效保持时间，可通过计算系统完全断电情况下的电池使用寿命来评估：
电池使用寿命(年)＝[电池标称容量(mAH)×1000]/[输出电流(μA)×24×365]
＝[225×1000]/[33×24×365]＝0.78(年)
显然，对于需要免维护长期使用的、要求高可用性(High Availability)的场合，尤其是对于嵌入式应用(比如车载电脑、医疗仪器、工业现场控制等)，这样的电池使用寿命是不能令人满意的：在较短时间内后备电池将耗尽，造成实时时钟紊乱、配置信息丢失，必须更换电池和重新配置系统(在某些情况下这甚至是做不到的)，对产品存储、产品维护和服务、系统可用性和用户体验都是很不利的。
发明内容
在X86计算机系统中，为了获得较长的RTC/CMOS RAM数据的有效保持时间，通常采用的方法有如下几种：
1.最直接的方法是采用较大容量的板载后备电池。这种方法增加成本；需要占用较大的PCB面积；电池使用寿命延长的时间比较有限。如在上例中选取Panasonic CR2450钮扣型锂电池，尺寸增加到Φ24.5mm×5.0mm，标称容量增加到620mAH，电池使用寿命只增加到2.14年。
2.配备超大容量的外接后备电池(如干电池)，但明显需要占用更大的系统空间。
3.采用充电电路和可充电电池作为后备电池。这种方法增加较多的成本；在系统完全断电的情况下，也不能保证RTC/CMOS RAM数据的长期有效性。
4.采用低电流的外部RTC/CMOS RAM取代内部RTC/CMOS RAM。如前文所述，所有运行在X86平台上的软件，都是依照PC/AT的标准规范，来访问内部RTC/CMOS RAM。也就是说，采用这种方法时，需要为各种操作系统提供相应的驱动程序；同时，不排除存在兼容性问题的可能。
为了解决现有方法的不足，本发明提供一种X86平台上的双RTC/CMOS RAM互相复制/备份数据的方法，由硬件和固件结合实现，在X86计算机系统中，以低的硬件成本，大大延长RTC/CMOS RAM数据的有效保持时间，提高系统的可用性；本发明提供的方法，无需驱动程序的支持，对所有运行在X86平台上的系统软件(如操作系统、中间件)和应用软件，都能保证完全的兼容性。
本发明的技术方案详述如下：
硬件结构包括内部RTC/CMOS RAM[101](存在于在X86平台CPU/芯片组[100]的内部)、外部RTC/CMOS RAM[102](存在于在X86平台CPU/芯片组[100]的外部)、串行通讯接口[103]、后备电池[104]，以及后备供电电路[105]。内部RTC/CMOS RAM[101]由系统电源Vcc1供电；后备供电电路[105]综合后备电池[104]的Vbat输入和系统电源Vcc2输入，产生Vbackup电源输出，为外部RTC/CMOS RAM[102]供电；串行通讯接口[103]将外部RTC/CMOS RAM[102]和X86平台CPU/芯片组[100]连接，固件程序通过串行通讯接口[103]访问外部RTC/CMOS RAM[102]。
外部RTC/CMOS RAM[102]采用低电流的RTC/CMOS RAM芯片(电流消耗一般小于1μA)，它需要一直被供电；内部RTC/CMOS RAM[101]在系统完全断电的情况下不被供电，即此时内部RTC/CMOSRAM[101]是不工作的。
固件程序包括初始化固件程序和SMI固件程序，它们被嵌入到系统的Bios(基本输入输出系统)/Bootloader(启动引导装载程序)的代码中。固件程序在以下时间，完成外部RTC/CMOS RAM[102]与内部RTC/CMOS RAM[101]之间相互的数据复制/备份：
1.当系统开机(Power on)或恢复(Resume)后，执行到嵌入的初始化固件程序时，完成从外部RTC/CMOS RAM[102]到内部RTC/CMOS RAM[101]的数据复制。
2.此后，当系统睡眠状态(Sleep state，包括S0，S3和S4/S5等)将要发生转移(比如从S0向S3或S4/S5转移)时，执行或被触发执行嵌入的SMI固件程序，完成从内部RTC/CMOS RAM[101]到外部RTC/CMOS RAM[102]的数据备份。
上述第2点的实现机制是：当系统处于非ACPI模式(non-ACPI mode)时，系统睡眠状态的转移(如S0到S5，即从运行状态到关机状态)，最终是由电源管理SMI中断服务程序，对ACPI寄存器组中的PM1控制寄存器(PM1 Control Register)实施写操作来实现的。所谓“执行嵌入的SMI固件程序”，指的是在对PM1控制寄存器实施写操作之前，执行嵌入到电源管理SMI中断服务程序中的SMI固件程序，完成从内部RTC/CMOS RAM[101]到外部RTC/CMOS RAM[102]的数据复制。
当系统处于ACPI模式(ACPI mode)时，系统睡眠状态的转移(如S0到S3或S4，即从运行状态到等待或休眠状态)，最终是由软件(AML程序、操作系统或应用程序)对ACPI寄存器组中的PM1控制寄存器实施写操作来实现的。设置X86平台CPU/芯片组的SMI触发功能，使得软件对PM1控制寄存器实施写操作的时刻，一个SMI(在本说明书中，称为Sleep SMI)能够被触发。所谓“被触发执行嵌入的SMI固件程序”，指的是在软件对PM1控制寄存器实施写操作的时刻，Sleep SMI被触发，转而执行SleepSMI中断服务程序，执行到嵌入其中的SMI固件程序，完成从内部RTC/CMOS RAM[101]到外部RTC/CMOSRAM[102]的数据备份。
综上所述，本发明的硬件成本低，结构简单；外部RTC/CMOS RAM[102]与内部RTC/CMOS RAM[101]互相复制/备份数据的机制新颖独特，既保证了工作状态时内部RTC/CMOS RAM[101]数据的有效性(即保证了软件的全面兼容性，无需驱动程序的支持)，又利用外部RTC/CMOS RAM[102]大大延长了保持有效数据的时间(与X86平台CPU/芯片组要求的维持电流的大小无关)；嵌入到Bios/Bootloader中的固件程序，使得外部RTC/CMOS RAM[102]对软件来说是透明的(存在但看不见)，不占用软件运行的时间和资源，不影响系统的工作效率。
附图说明
图1为本发明所述X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法的硬件结构框图。
图2为一般X86计算机系统所采用的内部RTC/CMOS RAM供电电路示意图。
图3为本发明所述X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法的初始化固件程序流程框图。
图4为本发明所述X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法的的SMI固件程序流程框图。
具体实施方式
以下结合附图1，对本发明的典型实施例进行说明。
硬件结构包括内部RTC/CMOS RAM[101]、外部RTC/CMOS RAM[102]、串行通讯接口[103]、后备电池[104]，以及后备供电电路[105]。X86平台CPU/芯片组[100]为Intel嵌入式X86 CPU Atom E6xx系列，内部RTC/CMOS RAM[101]存在其中；外部RTC/CMOS RAM[102]采用NXP PCF8563低电流实时时钟/日历芯片；串行通讯接口采用SMBus或I2C总线，后备电池采用Panasonic CR2032钮扣型锂电池。系统电源Vcc1在系统完全断电的情况下为0V，在工作状态下为为3.3V，为内部RTC/CMOS RAM[101]供电；系统电源Vcc2可以采用系统电源Vcc1或其它系统电源，通过后备供电电路[105]，在工作状态下节省后备电池[104]的消耗，也可以不采用任何电源。
固件程序包括初始化固件程序和SMI固件程序，它们被嵌入到系统的Bios/Bootloader的代码中，它们各自的流程框图如附图3和附图4所示。
系统开机或恢复(如按下Power button或Sleep button等电源管理按键)后，Bios/Bootloader开始执行，执行到嵌入的初始化固件程序时，外部RTC/CMOS RAM[102]的当前数据，被复制到内部RTC/CMOSRAM[101]，如附图3所示。
此后，内部RTC/CMOS RAM[101]中的数据是可以被正常改变的，如用户进入Bios Setup更改系统时间和配置、在DOS下用Date/Time命令更改系统时间、在Windows XP下更改系统时间或者设置系统唤醒等。
如果系统处于非ACPI模式(如上电自检POST阶段或DOS操作系统下)，按下电源管理按键后，将执行电源管理SMI中断服务程序，其最终操作是对ACPI寄存器组中的PM1控制寄存器实施写操作。在此操作之前，执行嵌入到电源管理SMI中断服务程序中的SMI固件程序，内部RTC/CMOS RAM[101]的当前数据，被备份到外部RTC/CMOS RAM[102]，如附图4所示。
如果系统处于ACPI模式(如Windows XP操作系统下)，系统进入关机/休眠/等待状态——无论是电源管理按键、软关机操作或者应用程序所引起——最终是由软件(AML程序、操作系统或应用程序)对ACPI寄存器组中的PM1控制寄存器实施写操作来实现的。在Intel Atom E6xx系列CPU中，SMI使能寄存器的第2位设置为使能，可在软件对PM1控制寄存器实施写操作的时刻，Sleep SMI被触发，转而执行Sleep SMI中断服务程序，嵌入其中的SMI固件程序也就被执行，内部RTC/CMOS RAM[101]的当前数据，被备份到外部RTC/CMOS RAM[102]，如附图4所示。
现在的X86平台CPU/芯片组(包括Intel、AMD、Nvidia和Via等公司的芯片)的设计都是符合APCI规范的，也都有相应的SMI使能寄存器，能够使能本说明书中所述的Sleep SMI，因此本发明的方法是具有普遍适用性的。
本典型实施例中，NXP PCF8563芯片的电流消耗为250nA(0.25μA)，Panasonic CR2032钮扣型锂电池的标称容量为225mAH，RTC/CMOS RAM数据的有效保持时间，可通过计算系统完全断电情况下的电池使用寿命来评估：
电池使用寿命(年)＝[电池标称容量(mAH)×1000]/[输出电流(μA)×24×365]
＝[225×1000]/[0.25×24×365]＝102.7(年)
为进一步降低成本和减小PCB面积占用，换用更小的后备电池如Panasonic CR1025钮扣型锂电池(尺寸Φ10.0mm×2.5mm，标称容量30mAH)，也可获得13.7年的电池使用寿命。
综上所述，采用本发明的X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法，实现了在系统工作的情况下，内部RTC/CMOS RAM数据有效和可访问，在完全断电的情况下，外部RTC/CMOS RAM长期保持当前数据；无需驱动程序的支持，不影响系统运行效率，对软件提供了完全的兼容性；硬件成本低，器件易获得；在各种X86平台CPU/芯片组上易于实施，具有通用性。
应当说明的是，以上仅是对本发明的一个典型实施例的详细说明，而非对本发明的限制。相关领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化(包括对程序流程)，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明专利申请书的保护范围，此范围以本发明所附权利要求书为准。

Claims (3)

1.X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法，其特征在于：采用外部RTC/CMOS RAM[102]，与内部RTC/CMOS RAM[101]互相复制/备份数据(前者存在于在X86平台CPU/芯片组[100]的外部，后者存在于X86平台CPU/芯片组[100]的内部)；外部RTC/CMOS RAM[102]需要一直被供电，内部RTC/CMOS RAM[101]在系统完全断电的情况下不被供电。
2.X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法，其特征在于：固件程序包括初始化固件程序和SMI固件程序，它们被嵌入到系统的Bios(基本输入输出系统)/Bootloader(启动引导装载程序)的代码中；当系统开机(Power on)或恢复(Resume)后，执行嵌入的初始化固件程序，完成从外部RTC/CMOSRAM[102]到内部RTC/CMOS RAM[101]的数据复制，此后当系统睡眠状态(Sleep State，包括S0，S3和S4/S5等)将要发生转移时，执行或被触发执行嵌入的SMI固件程序，完成从内部RTC/CMOSRAM[101]到外部RTC/CMOS RAM[102]的数据备份。
3.根据权利要求1和2所述的X86平台上的双RTC/CMOS RAM数据备份方法，其特征在于：硬件结构包括内部RTC/CMOS RAM[101]、外部RTC/CMOS RAM[102]、串行通讯接口[103]、后备电池[104]，以及后备供电电路[105]；内部RTC/CMOS RAM[101]由系统电源Vcc1供电，后备供电电路[105]综合后备电池[104]的Vbat输入和系统电源Vcc2输入，产生Vbackup电源输出，为外部RTC/CMOSRAM[102]供电；串行通讯接口[103]将外部RTC/CMOS RAM[102]和X86平台CPU/芯片组[100]连接，固件程序通过串行通讯接口[103]访问外部RTC/CMOS RAM[102]。
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