剖析CPU温度监控技术【转】

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                                                           图12  温度监控系统实例

       北桥芯片是cpu与BIOS芯片进行数据交换的桥梁,监控芯片与北桥芯片2个多多多多信号中,SDA是SMBus双向数据线,它既还后能 将电源电压、CPU核心温度、风扇转速和环境温度等完整篇 监控信息发送给BIOS实现进行显示,还后能 不能由BIOS将来自系统的命令发送给监控芯片(前面要是介绍过,监控芯片是可编程的ASIC,好多好多 完整篇 有能力解决哪些地方地方来自系统的命令),实现控制参数的修改或调节功能;SCL是来自系统的时钟信号,这是监控芯片与北桥芯片以及监控芯片与CPU之间进行同步通信的必要条件;SMBALART#在此定义为监控芯片通过SMBus接口发往BIOS芯片的报警(ALART)信号。

       小知识∶怎么判断风扇否是 具有测速功能?

       监控芯片通常是可编程的ASIC微控制器,应用软件经BIOS将控制命令和数据经接口电路发送给监控芯片,修改其控制参数,一点监控软件正是通过这人 途径来显示和调整CPU电压和风扇转速的。

       热敏二极管又叫热敏PN结(Thermal PN junction),基于硅基PN结正向电压和温度的关系,其测温范围在-55℃~+5000℃之间。与热敏电阻一样,热敏二极管属于变阻器件,其等效电阻值是由其工作温度所决定。

系统就等待的图片 在暂停情况。“当cpu抛下风扇的过后”,Pentium 4CPU并不一定还后能 安然无恙,答案就在这里。

       小知识∶警戒温度与极限温度哪些地方地方不同?

                                                          图11  CPU风扇插头引脚定义

       下面以ADT7436监控芯片为核心的Pentium 4CPU温度监控系统实例进

       各款CPU的警戒温度和极限温度值是制造商根据CPU的制造工艺和封装形式及封装材料选择的,并在技术白皮书中给出。为解决用户自行设定而带来危险,Intel已将Pentium 4CPU的警戒温度和极限温度写入TCC内的ROM单元中,用户无法修改它们。

       SMBus的数据传输率为5000kbps,嘴笨 速率较慢,却以其底部形态简洁造价低廉的特点,成为业界普遍欢迎的接口标准。Windows中显示的各种设备的制造商名称和型号等信息,有的是通过SMBus总线整理的。主板监控系统中传送各种传感器的测量结果,以及BIOS向监控芯片发送命令,也是利用SMBus实现的。

       首先,各种监控芯片在控制功能上有很大差异(譬如某个芯片还后能 控制2个多多多多风扇,多数则只能控制2个多多多多风扇),通常引脚数这麼多,功能越强。

       在供电方面,单纯采用多相供电结合大电容滤波的传统最好的妙招已难以满足Pentium 4(Prescott)CPU的要求,为此,Intel制定了新的电压调节标准VRD10,将VID(电压识别码)从VRM9的5位升级到6位,使电压调整精度更高。VRD10还首次公开了Dynamic VID(动态电压识别码)技术,可根据CPU负荷变化随时调节供电电压,见缝插针地降低功耗。此外,Dynamic VID技术还能限制电流突变,解决CPU偶然烧毁的要是。有关Pentium 4CPU的最新供电规范,请参阅本刊5004年第13期“全面掌握Prescott主板最新供电技术”一文。

       在散热方面,Intel在Pentium 4 processor Thermal and Mechanical Design Guidelines(Pentium 4CPU热量和构造设计指南)中要求,CPU的散热器只能具有足够强的散热能力,以便及时将CPU所产生的热量带走。同只能求风扇还后能 输出转速信号,以实现对风扇的监控,解决因风扇停转而原因分析分析CPU过热的情况存在。要是CPU所产生的热量因工作负荷变化而有很大变化,要是也要求风扇转速按只能自动调节,以降低并不一定要的能源消耗和噪音污染。

                                                          图9  TCC激活时,任务周期减少

度,当核心温度存在急剧变化时,表面温度只能“小幅上扬”。Pentium 4和Athlon XP等最新的cpu,其核心温度变化速率达500~500℃/s,核心温度的变化速率这麼快了 了 ,测量温度的延迟误差也越大。在这人 背景之下,要是再以表面温度作为控制目标,保护电路尚未做出反应,CPU要是要是命归黄泉了。

转自:http://blog.csdn.net/hunanchenxingyu/article/details/46476545

                                                            图4 各种硬件监控芯片

       实际监控系统所采取的主动降温最好的妙招中,哪种最好的妙招更有实际意义呢?下面我们我们 进行2个多多多多简短的分析。

       Pentium 4主板的BIOS中通常有“Processor speed throttling ”例如的选择项,用于选择超警戒温度后CPU任务周期(duty cycle)占完整篇 周期的比例,在CPU频率不变的情况下,这人 比例越大说明CPU的工作速率越高。其蕴含“Automatic”和“On demand” 两种选择,“Automatic(自动)”表示任务周期的占空比为500%,也要是说比正常频率低一半;“On demand(按要求)”下面有12.5%、25%、…、87.5%等多种选择,选择的数值越小,则任务周期的比例越小,降频幅度也越大。

       小知识∶怎么设置BIOS中的“Processor speed throttling”?

迄今为止还这麼两种cpu散热系统能保证永不失效。抛下了散热系统保护伞的“芯”,往往会在几秒钟内永远停止“跳动”。值得庆幸的是,聪明的工程师们开发出有效的CPU温度监控、保护技术。以特殊而敏锐的“嗅觉”随时监测CPU的温度变化,并提供必要的保护最好的妙招,使CPU免受高温下的灭顶之灾。在我们我们 看来,探索这项技术如同过后刚开始英语 一段神秘而有趣的旅程,何不与我们我们 同行?

       CPU功耗和温度随运行速率的加快而不断增大,现已成为2个多多多多不折不扣的“烫手山芋”。怎么使CPU安全运行,提高系统的可靠性,解决因过热而产生的死机、蓝屏、反复重启动甚至CPU烧毁,不仅是CPU所面临的困境,也是留给主板设计者的2个多多多多重要课题。为此,Intel率先提出了温度监控器(Thermal Monitor)的概念,通过对CPU进行温度控制和过热保护,使稳定性和安全性大大增加。

       一点电脑BIOS中显示风扇转速为0,而实际上风扇却在正常旋转,通常是要是风扇这麼测速功能。风扇否是 具有测速功能,还后能 从风扇连线的数目来区别,具有测速功能的风扇最少有三根线,通常红色线为+12V,黑色线为地线,黄色线或白色线要是测速信号线。要是还有第三根线——三根暗蓝色的信号线,那是用于变频调速的脉宽调制信号PWM,如图11。

                                                      图6 第一代热量监控系统框图

       图7是2个多多多多以MIC284为核心CPU温度监控电路,该电路只能控制CPU风扇的转速,但它还后能 将温度信号通过SMBus端口传送给BIOS芯片,以实现更多控制功能。

       芯片的功耗(发热量)由静态功耗和动态功耗两累积组成(如图5),静态功耗是要是漏电流引起的。由P=V2/R可知,在芯片等效电阻R不变的情况下,功耗P与电压V的2次方成正比,降低供电电压还后能 极大地降低静态功耗。好多好多 哪些地方地方年来芯片工作电压从5V降到3.3V,甚至降到目前的1V以下。我们我们 当然希望这人 数值进一步降低,但要是这麼k值更高的栅极材料,就无法保证在低电压下完成晶体管开启和关闭动作。好多好多 ,降低电压的手段毕竟还是有限的。要是要是CPU内集成的晶体管数量的按摩尔定律逐年增加,众多晶体管并联后使得等效电阻值不断减少,集成电路内层与层之间的绝缘层变薄也使得层间泄漏电流增加,好多好多 CPU的静态功耗老要趋于上升态势。

                                                       图10  Pentium 4CPU温度监控方案

       (小知识∶怎么知道BIOS或测试软件显示的CPU温度是表面温度还是核心温度?)

       既然降低电压和频率的降温最好的妙招有的是好多好多 现实困难,好多好多 利用风扇带走热量就成了两种最简便可行的最好的妙招。近几年来,CPU风扇的尺寸这麼大、转速这麼高,使得排气量这麼大,这在一定程度上缓解了CPU温度高居不下的疑问。要是风扇扇叶尺寸过大、转速严重不足,又带来了噪音疑问,要是环境温度严重不足也会影响散热效果,好多好多 又只能增加机箱风扇,使得噪音疑问进一步加剧。 为了降低噪音和节省能耗,在CPU温度不太高的过后让风扇保持减挡运动运转,在不得已的情况下才提高转速,就成了2个多多多多被我们我们 普遍认可的温度控制方案。要是,大多数温度监控系统实际上要是2个多多多多“温度-转速控制系统”,好多好多 温度监控芯片也是针对这人 只能而设计的。

                                                        图2 表面温度的时间滞后底部形态

       为了解决热敏电阻无法测量CPU核心真实温度的疑问,Intel在Pentium Ⅱ和CeleronCPU中植入了热敏二极管(Thermal Diode,或简称作Thermodiode)直接测量CPU核心温度,开创了半导体测温技术的先河。此后的Pentium Ⅲ和Pentium 4芯片中都植入了热敏二极管,AMD在Athlon和DuronCPU中也植入了热敏二极管。现在一点主板有的是监控芯片内设置有热敏二极管,用于检测芯片所在位置的环境温度。

       2.CPU的核心(die)发出热量由芯片封装向实物散热,CPU的表面温度和核心温度之间约有15℃~500℃的温差,一起去因芯片封装形式不同,及环境温度的不同而难以选择。至今还这麼两种技术还后能 把热敏电阻埋进芯片实物去,原因分析分析现在热敏电阻只能测量CPU的表面温度,而无法测量核心温度。

       在系统性能不受损失的前提下保证CPU安全稳定运行,这才是我们我们 希望看一遍的结果。事实上,影响CPU温度的因素,除了频率外,还有CPU供电质量和散热速率。好多好多 ,Pentium 4温度监控系统采取了全面的监控最好的妙招,把频率、电压和散热2个多多多多控制参数视为保障CPU安全运行的三驾马车,如图10。 

                                                              图1  CPU插槽下的热敏电阻

                                                   图7  2个多多多多实际的监控电路

       小知识∶哪些地方是SMBus?

       一、温度测量:从表面深入到核心

       六、现有技术并不一定完善 CPU温度监控系统在电脑中嘴笨 毫不起眼,我们我们 很少去注意它,但它对整个系统来却起着十分重要的作用,像一位藏在后边的天使,默默地守护着我们我们 的电脑。从1993年Intel推出第一款奔腾CPU以来,十年之间主频提升了数十倍,期间CPU技术的发展已不再是简单的频率提升,系统设计者只能在性能、耗电量、噪音和热量2个因素之间进行综合平衡。正要是这麼,温度监控技术经历了从无到有、逐渐心智心智开花结果 图片 是什么期期的句子是什么的句子的发展过程,从2个多多多多侧面见证了CPU的发展史。据说即将推出的Pentium 4 6XX系列CPU将集成Enhanced SpeedStep技术,CPU自身温度监控功能得到强化。

cpu温度超出所设定的极限温度,系统将通过降低供电电压、降低芯片工作频率和加强冷却等手段进行主动降温,甚至自动关机,以确保CPU安全。

       温度监控技术2个多多多多多鲜明的特点∶一是CPU内置热敏二极管直接测量核心温度,二是主板上设置监控芯片(如图4)。Intel首先在Pentium Ⅱ及CeleronCPU中植入热敏二极管,并公开了具有温度监控技术的主板设计指南,这人 举措得到主板制造商的积极响应,各具特色的所谓的“智能主板”如雨后春笋,一时精彩纷呈。一点有实力的主板制造商还自行开发监控芯片(如MSI的CoreCell等),温度监控技术在短短几年内便有了很大进步,不断完善温度监控功能。

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       CPU警戒温度(warning temperature)和极限温度(thermal trip)有的是指核心温度,但它们所代表的意义有所不同。警戒温度是还后能 保证CPU稳定运行的温度;极限温度也叫最高核心温度(Maximum die temperature)或关机温度(Shutdown temperature),是解决CPU免于烧毁的温度。

       五、温度控制,仅靠降频是严重不足的 以降低频率为手段来保障CPU安全,是第2代温度监控技术的主要思想。要是这人 技术也存在明显的严重不足:当温度超过警戒温度时,嘴笨 还后能 勉强运行,但系统整体性能却随着cpu频率的下调而降低到2个多多多多很低的水平。假若2个多多多多3.8GHz的CPU只能长期工作在2GHz的速率上,这等于让用户花钱买了奔驰,却只能当奥拓使用。如居然是2个多多多多多励志的话 ,第二代温度监控技术就算不上心智心智开花结果 图片 是什么期期的句子是什么的句子的技术,而只不过是个苟且小计。

       要是,要是电脑爱好者和普通用户对CPU温度监控系统了解这麼来很多,要是介绍这方面知识的中文资料也难以获得,遇到相关疑问后会感到不知所措,好多好多 必要将CPU温度监控技术系统地介绍给我们我们 。

       要是热敏电阻先天严重不足带来了2个多多多多十分严重的疑问∶表面温度只能及时反映CPU核心温度变化,用专业术语说要是存在2个多多多多时间滞后的疑问。要是核心温度变化之只能经过一段时间还后能 传送到CPU表面。图2反映了采用核心测温最好的妙招下保护电路起作用的情况,当核心温度达到CPU极限温度T2时,控制电路及时切断CPU的供电,要是只需几秒钟时间便会到达烧毁温度T3。相比之下,表面温度反应十分迟钝,其升温速率远不及核心温

       监控芯片与CPU之间通过2个多多多多引脚进行联络:CPU将电压识别码VID发送给监控芯片,由它可算出CPU理论电压值(来自电源模块的Vcore才是CPU的实际电压值);D2+和D2-是CPU核心温度信号(“D”在此表示Diode,而有的是Data),当CPU温度超过警戒温度时,CPU通过PROCHOT#信号通知监控芯片,而当电源模块电流超标时,监控芯片将PROCHOT#信号置为低电平,激活CPU内的TCC,对CPU和供电模块进行降温。哪些地方地方控制功能完整篇 体现了第2代温度监控技术的特点。

                                                       图3  温度信号解决电路

       温度显示系统是两种被动的体系,无法对温度进行调节。一旦测得CPU温度超出设定温度,电脑还后能 发出声光报警,以提醒电脑用户进行人为干预。这人 系统用于目前发热量大的CPU基本上这麼安全可言。要是散热系统存在疑问后,没等用户反应过来,CPU就要是烧毁了。要是,Intel提出了温度监控的概念,让系统具有自我调控能力,一旦

       四、第二代温度监控技术,Pentium 4烧不死的秘密 为了弥补第一代温度监控技术的严重不足,提高监控能力,Intel开发了第2代温度监控技术。

       我们我们 也应看一遍,现有的监控技术水平还远这麼达到理想的情况,在温度测量精度、监控系统的及时性和降温技术的有效性等方面还有待提高,电压、频率和散热2个多多多多子系统目前存在每每本人为战的情况。未来的温度监控技术必然朝着更精确、更有效、更智能的方向发展。

       现在有不少主板的BIOS中还后能 不能设置警戒温度和关机温度,不过可选的数值都比较保守,例如警戒温度最大值为70℃、关机温度为85℃,这是远低于TCC内设定值的。

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       兼顾性能和可靠性是第2代温度监控技术的优秀之处。由公式P = CV2f(其中C是等效电容容量;V是工作电压)可知,频率f与能耗P之间是两种线性关系,降低频率是减少发热量的有效途径。这人 通过降低有效频率实现降温的最好的妙招,比之过后那种关断时钟信号的做法显然要聪明一点,解决了因强行关闭CPU,而原因分析分析数据丢失的情况。

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行解剖,如图12。先看看风扇的情况,图中TACH是风扇电机速率信号,监控电路使用PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制)控制风扇电机的转速,从PWM信号还后能 看出三只风扇有的是还后能 调速的。

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       其次,即便功能相同的芯片,性能上也会有差别,其中2个多多多多重要的区别在数据位的不同(譬如MAX6682的分辨率是10位,TC1024为9位,FMS2701为8位),位数

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       PROCHOT#引脚的2个多多多多多功能是还后能 保护主板上的一点元件。PROCHOT#引脚采用双工设计——信号既还后能 从这根信号线出去,还后能 进得来。主板设计者可利用这人 底部形态为供电模块提供保护,当供电模块的温度超出警戒温度时,监控电路输出2个多多多多低电平到PROCHOT#引脚以激活TCC,通过降低CPU功耗来达到保护供电模块的目的。

       二、温度监控:从单纯显示到温度监控 在热敏电阻为主要测温手段时期,测得的CPU表面温度经放大器将微弱信号放大后经A/D转换,将模拟信号转加进去数字信号后再通过数据线发送给BIOS芯片(如图3),数据进入BIOS芯片后,BIOS或监控软件就能在屏幕上显示了。

少的芯片输出的数据精度自然也就降低了(8位芯片温度转换误差为±3℃)。2个多多多多多性能差别在采样速率上,要是采样速率低(例如FMS2701的采样速率为1s),必然增加信号延迟,无法及时跟踪cpu温度的变化。

       第一代CPU温度监控技术建立在依靠外援的基础上,当CPU过热而超过极限温度时,由系统向CPU发出HLT命令,让系统暂停。要是热量只原因分析分析系统不稳定,要是电脑死机或进程进入死循环,就会抛下监控作用,也就无法保护CPU了。一起去,要是构成监控系统的元器件较多,战线拉得很长,原因分析分析反应速率慢,无法及时跟踪CPU温度变化。而现在的CPU不仅核心温度高,要是升温速率快(最高可达500℃/s),一旦灾难来临必有“远水不解近渴”之忧患。

       热敏电阻(Thermal Resistor ,简称Thermistor)体积小、价格低,使用方便,但用于检测CPU温度时存在着先天严重不足:

       1.热敏电阻是接触式测温元件,要是热敏电阻与CPU接触严重不足紧密,CPU的热量只能有效地传送到,所测量温度会有很大误差。一点主板上采用SMD贴片热敏电阻去测量CPU温度,其测量误差比直立式热敏电阻误差更大,要是这人 贴片元件这麼紧密接触到CPU。

       总之,热敏电阻不仅测量精度难以保证,更重要的是无法检测到热源的真实温度。

       监控芯片是温度监控系统的核心,其质量优劣对控制性能有很大的影响。但要是监控芯片种类繁多,在功能和性能上有很大差异,给使用和鉴别带来一定困难。

;      三、第一代温度监控系统,并不一定可靠 cpu温度监控系统根据控制电路存在的位置,可分为实物控制型和实物控制型两种基本底部形态。实物控制型监控系统,现在被称为第一代温度监控技术,它有两种基本存在形式∶两种是采用独立的控制芯片,如WINBOND的W83627HF、ITE的IT8705、IT8712等,哪些地方地方芯片除了解决温度信号,一起去还能解决电压和转速信号(如图6);第二种形式是在BIOS芯片中集成了温度控制功能;第两种形式是南桥芯片中集成温度控制功能。在现行的主板中,两种形式一起去存在,要是主板说明书中这麼一阵一阵说明,我们我们 一时难以判断监控硬件的准确位置。

       SMBus是System Management Bus(系统管理总线)的缩写,是1995年由Intel提出的。SMBus只能三根信号线:双向数据线和时钟信号线。PCI插槽上也给SMBus预留了2个多多多多引脚(A40为SMBus 时钟线,A41为SMBus 数据线),以便于PCI接口卡与主板设备之间交换信息。

       第二代温度监控系统的2个多多多多突出特点是在CPU实物集成了温度控制电路(Thermal Control Circuit,TCC),由CPU自身执行温度控制功能,一起去,CPU内设置了2个多多多多相互独立的热敏二极管,D1是本地热敏二极管,所测信号提供给TCC,D2则为远端热敏二极管,其测量结果用于实现主板控制功能及显示核心温度,如图8。

       就目前来看,无论使用Intel还是AMD的CPU,已很少使用热敏电阻测量CPU表面温度了,好多好多 BIOS与检测软件所显示的CPU温度有的是指CPU的核心温度。而在Pentium Ⅱ过后,CPU温度通常是指表面温度;Pentium Ⅱ及过后的CPU内都集成有热敏二极管,所测量温度要是核心温度。不过,在过渡期内一点主板上仍在CPU插座下面保留了热敏电阻,2个多多多多多就一起去能检测到2个多多多多不同的CPU温度值,通常BIOS中显示的是CPU的实物温度,而检测软件所测试的是核心温度。

       建立CPU温度监控系统,首这麼选择两种最少的温度测量器件。还后能 测量温度的器件有好多好多 种,如热敏电阻、热电偶和半导体温度传感器等。电脑中最早使用热敏电阻作为测温元件,CPU插座下竖立的球状或带状的小元件,要是热敏电阻(如图1)。

                                                      图5 芯片工艺进步 泄漏功耗增加

       芯片的动态功耗P = CV2f,其中C表示电路负载大小,V表示供电电压,f为工作频率。可见f与芯片的动态功耗成正比,频率愈高则消耗的功率也愈高。降低CPU的时钟频率嘴笨 是降低动态功耗的有效手段,要是,电脑用户老要希望进程还后能 执行得放慢,通过降低频率来降温的手段是难以被用户所接受的。

       Pentium 4CPU中的PROCHOT#引脚还有另外2个多多多多实用的功能。其中的2个多多多多功能是向主板发出报警信号——PROCHOT#引脚为低电平时,说明CPU核心温度超过了警戒温度,此时CPU工作在较低的频率上。要是超出警戒温度(电脑用户利用工具软件还后能 获得这人 信息),应及时检查散热器安装否是 妥当,风扇转速否是 正常。

       可见,Pentium 4CPU不仅能自保平安,还能对供电电路提供保护,细微之处体现出设计者的良苦用心。一起去,将TCC集成到CPU内不仅对自身更加安全,也繁复了主板设计,降低了主板制造成本。还后能 说,第2代温度监控技术是2个多多多多给CPU制造商与下游主板厂商带来双赢的技术。

                                                    图8  第2代温度监控系统框图

       我们我们 先看看TCC是怎么发挥作用的。TCC定义了两种工作情况:激活态和非激活态。TCC的情况与PROCHOT#信号的电平高低相对应,PROCHOT#为低电平时,TCC为激活态,要是存在非激活态。当CPU核心温度达到警戒温度(Warning Temperature)时,温度检测电路将PROCHOT#信号置为低电平,从而激活TCC。TCC激活后,采取“抑制任务周期”(Throttle duty Cycle)的最好的妙招(如图9),使CPU有效频率下降,从而达到降低功耗的目的。当CPU的温度降低后(低于警戒温度1℃以上),TCC回到非激活态,CPU恢复到“标称频率”。可见,TCC实质上是2个多多多多由CPU温度控制的频率调节器。

       要是存在灾难性冷却失败的情况,使CPU温度超出极限温度(thermal Trip),TCC将设THERMTRIP#信号为低电平,BIOS芯片检测到这人 变化后,直接关闭CPU时钟信号,并通过PWM控制器封锁VRM向CPU供电,直到温度降到极限温度以下,RESET#信号有效,THERMTRIP#才会重新变为高电平,系统还后能 继续工作。要是THERMTRIP#总为低电平,