基于 OpenBMC 的国产 BMC 开发技术说明（飞腾 E2000S 平台）

本文围绕基于开源 OpenBMC 架构开展飞腾、龙芯等国产 CPU 的 BMC 开发系统介绍了 OpenBMC 的概念与来历、IPMI 核心协议、OpenBMC 软件分层架构以及飞腾 E2000S 与龙芯 2K0500 两种国产硬件平台的选型与适配方案为构建自主可控的国产带外管理系统提供参考。一、OpenBMC 简介BMCBaseboard Management Controller基板管理控制器是嵌入在服务器主板上的专用微控制器应用了 IPMI 架构的智能性是系统管理软件与平台硬件之间的接口。它本质上是主板上一块独立的小板卡拥有自己独立的处理器和控制系统通过 IPMB、LPC、SMBus 等接口与主机硬件或主机系统通信并通过网络、串行/Modem、PCI 等接口向本地与远程管理系统提供查询和控制能力。OpenBMC 是 BMC 的 Linux 发行版旨在跨异构系统企业、HPC、电信与云规模数据中心提供统一的管理能力。2014 年四名 Facebook 程序员在黑客马拉松中创建了名为 OpenBMC 的原型固件2015 年 IBM 与 Rackspace 合作开发了同样名为 OpenBMC 的开源 BMC 固件堆栈2018 年 3 月 OpenBMC 成为 Linux 基金会项目。其创始组织包括 Microsoft、Intel、IBM、Google 和 Facebook2019 年 Arm 加入技术指导委员会。OpenBMC 使用 Yocto Project 作为底层构建与发行框架并结合 OpenEmbedded、systemd 和 D-Bus 等技术定制管理平台同时提供 Web 应用并加入 Redfish 硬件管理支持支持主机状态查看、控制与固件更新等功能。图 1 BMC 在服务器中的带外管理示意二、IPMI 简介IPMI 是目前 BMC 的核心BMC 的远程控制大多通过 IPMI 协议实现。其全称为 Intelligent Platform Management Interface智能平台管理接口。IPMI 规范了体系化的管理模型BMC 是其中最重要的部分此外还有一些“模块”控制器通过 IPMB 与 BMC 相连分别控制特定设备其中部分支持热插拔。IPMBIntelligent Platform Management Bus是一种基于 I2C 的串行总线用于 BMC 与模块主板上的子卡控制器之间的通信其上传递的是 IPMI 命令。IPMI 接口基于命令/响应机制通过网络将机箱、传感器、固件、存储、应用等组件信息分类传递并可在网络、串行/Modem、IPMBI2C、KCS、SMIC、SMBus 等不同接口上以统一格式传输。IPMI 1.0 于 1998 年发布基本规范1.5 于 2001 年增加了串口与带外/带内网口远程通讯2.0 于 2004 年加入 SOL、群组管理、身份认证RAKP、SHA-1、安全增强网络接口、固件防火墙与 VLAN 等2.0 修订版 1.12013 年进一步支持 IPv6 寻址。图 2 IPMI 体系结构示意图三、OpenBMC 软件架构BMC 硬件本身就是一个计算机系统。与常用计算机系统相比BMC 的硬件资源非常有限CPU 运行速度较慢闪存一般在 32 MB 左右RAM 一般少于 256 MB。因此 OpenBMC 被设计为完整的 Linux 发行版可灵活定制以支持不同的 BMC SoC 或板卡。OpenBMC 映像包括引导程序u-boot、Linux 内核、开源软件包和特定于主板的软件包引导加载程序和内核包含 i2c、USB、LPC、PWM、SPI 等硬件驱动开源软件包一般包括 BusyBox、i2c 工具、lm-sensors、OpenSSH、Python 等常用应用用户板软件包则包括针对特定板的初始化脚本与工具例如从 EEPROM 转储资产信息的工具和风扇控制器守护程序。从软件组织上看OpenBMC 共有三组层通用层包含可复用于不同板卡与 SoC 的软件包如 meta-openembedded、meta-securitySoC 层包含特定于 BMC SoC 的软件包引导加载程序与内核均在此定义如 meta-aspeed板层则包含面向不同板的封装、初始化脚本与工具如 meta-facebook、meta-ibm。针对飞腾、龙芯等国产 SoC开发时即需新增对应的 SoC 层与板层完成底层驱动与硬件抽象的适配。图 3 OpenBMC 软件分层与镜像生成流程四、以飞腾 E2000S 为BMC管理芯片在硬件选型上国产 BMC 可优先采用飞腾腾珑 E2000S 作为主控平台。E2000S 是飞腾面向嵌入式与边缘计算场景的高集成度 SoC集成飞腾自研处理器核并提供 I2C、SPI、UART、GPIO、PCIe、USB、GbE 等丰富的外设接口具备低功耗、高集成、自主可控等特点能够满足 BMC 对传感器采集、风扇控制、串口重定向与带外网络管理的需求。以 E2000S 为硬件底座开发国产 BMC 时可在 OpenBMC 框架内新增面向飞腾 SoC 的 meta 层与板级配置移植引导程序、内核及 i2c/SPI/UART/GPIO/以太网等驱动并针对国产 CPU 完善电源管理、远程 KVM、安全启动与国密算法支持从而构建一套跨平台兼容、自主可控、高效稳定的服务器带外管理系统。图 4 飞腾 E2000S 国产 SoC 平台五、硬件平台以龙芯 2K0500 为例除飞腾平台外龙芯 2K0500 也是面向 BMC 应用的理想国产芯片。2K0500 是龙芯中科推出的一款高集成度处理器官方明确将其定位于工控互联网、打印终端与 BMC 等场景片内集成 64 位 LA264 处理器核双发射乱序执行主频 500MHz~800MHz、32 位 DDR2/DDR3 控制器、2D GPU 与 DVO 显示接口并提供两路 PCIe2.0、两路 SATA2.0、一路 USB3.0、四路 USB2.0、两路 GMAC以及 LPC、SPI、I2C、UART、PWM、GPIO、ADC 等丰富外设配合 ACPI、DVFS/DPM 动态电源功耗管理功耗仅 1~3W与 BMC 资源受限、低功耗、强外设的需求高度契合。以 2K0500 为硬件底座构建国产 BMC 时可在 OpenBMC 框架内新增面向龙芯 LoongArch 的 SoC 层与板层完成引导程序、内核与 PCIe、LPC、USB、I2C、ADC、PWM、GMAC 等驱动的移植。在软件层面可基于昆仑 BMC 固件或 OpenBMC 软件栈结合银河麒麟高级服务器操作系统 V10 进行交互协同实现 iKVM、远程虚拟媒体挂载、服务器监控管理、外设状态监控、用户管理及安全、故障预警与固件更新升级等完备功能形成从 BMC 芯片、BMC 固件到操作系统的全自主国产带外管理解决方案。