关于cpu温控，一个文本【海望转载】

会员774111

发布时间:2006 年 10 月 21 日 点击次数:3069 来源: EDN 电子设计技术 作者:安徽财经大学 陈忠民 引言 迄今为止还没有一种 cpu 散热系统能保证永不失效。失去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,并提供必要的保护措施,使 CPU 免受高温下的灭顶之 灾。在我们看来,探索这项技术如同开始一段神秘而有趣的旅程,何不与我们同行？ CPU 功耗和温度随运行速度的加快而不断增大,现已成为一个不折不扣的“烫手山芋”。如何使 CPU 安全运行,提高系统的可靠性,防止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一个重要课题。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。 但是,由于电脑爱好者和普通用户对 CPU 温度监控系统了解不多,而且介绍这方面知识的中文资料也难以获得,遇到相关问题时会感到不知所措,所以有必要将 CPU 温度监控技术系统 地介绍给大家。 一、温度测量：从表面深入到核心 温度测量： 建立 CPU 温度监控系统,首先要选择一种合适的温度测量器件。能够测量温度的器件有很多种,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,就是热敏电阻（如图 1）。
    图1
    CPU 插槽下的热敏电阻
    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 温度时存在着先天不足： 1.热敏电阻是接触式测温元件,如果热敏电阻与 CPU 接触不够紧密,CPU 的热量不能有效地传送到,所测量温度会有很大误差。 有些主板上采用 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,因为这种贴片元件很难紧密接触到 CPU。 2.CPU 的核心（die）发出热量由芯片封装向外部散热,CPU 的表面温度和核心温度之间约有 15℃～30℃的温差,同时因芯片封装形式不同,及环境温度的不同而难以确定。至今还没 有一种技术能够把热敏电阻埋进芯片内部去,导致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。 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。 由于热敏电阻先天不足带来了一个十分严重的问题∶表面温度不能及时反映 CPU 核心温度变化,用专业术语说就是存在一个时间滞后的问题。因为核心温度变化之后要经过一段时 间才能传送到 CPU 表面。图 2 反映了采用核心测温方式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,否则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,其升温速度远不及核心温 度,当核心温度发生急剧变化时,表面温度只有“小幅上扬”。Pentium 4 和 Athlon XP 等最新的 cpu,其核心温度变化速度达 30～50℃/s,核心温度的变化速度越快,测量温度的延迟误差也 越大。在这种背景之下,如果再以表面温度作为控制目标,保护电路尚未做出反应,CPU 可能已经命归黄泉了。
    图 2 表面温度的时间滞后特性 为了解决热敏电阻无法测量 CPU 核心真实温度的问题,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。现在许多主板都在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。 (小知识∶如何知道 BIOS 或测试软件显示的 CPU 温度是表面温度还是核心温度？) 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,所以 BIOS 与检测软件所显示的 CPU 温度都是指 CPU 的核心温度。 而在 Pentium Ⅱ以前,CPU 温度通常是指表面温度entium Ⅱ及以后的 CPU 内都集成有热敏二极管,所测量温度就是核心温度。不过,在过渡期内许多主板上仍在 CPU 插座下面保留了热敏电阻,这样就同时能检测到 两个不同的 CPU 温度值,通常 BIOS 中显示的是 CPU 的外部温度,而检测软件所测试的是核心温度。 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℃～+150℃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。 二、温度监控：从单纯显示到温度监控 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,将模拟信号转换成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。
    图3
    温度信号处理电路
    温度显示系统是一种被动的体系,无法对温度进行调节。 一旦测得 CPU 温度超出设定温度,电脑可以发出声光报警,以提醒电脑用户进行人为干预。 这种系统用于目前发热量大的 CPU 基本上没有安全可言。如果散热系统发生问题后,没等用户反应过来,CPU 就已经烧毁了。因此,Intel 提出了温度监控的概念,让系统具有自我调控能力,一旦 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。 温度监控技术有两个鲜明的特点∶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,这一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。 一些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。
    图 4 各种硬件监控芯片 实际监控系统所采取的主动降温措施中,哪种方法更有实际意义呢？下面我们进行一个简短的分析。 芯片的功耗（发热量）由静态功耗和动态功耗两部分组成（如图 5）,静态功耗是因为漏电流引起的。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,降低供电电压可以极大地降低静态功耗。所以这些年来芯片工作电压从 5V 降到 3.3V,甚至降到目前的 1V 以下。我们当然希望这个数值进一步降低,但如果没有 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。所以,降低电压的手段毕竟还是有限的。而且由于 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,所以 CPU 的静态功耗一直趋于上升态势。
    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 的时钟频率虽然是 降低动态功耗的有效手段,但是,电脑用户总是希望程序能够执行得更快,通过降低频率来降温的手段是难以被用户所接受的。 既然降低电压和频率的降温方法都有很多现实困难,所以利用风扇带走热量就成了一种最简便可行的方法。近几年来,CPU 风扇的尺寸越来越大、转速越来越高,使得排气量越来越 大,这在一定程度上缓解了 CPU 温度高居不下的问题。 但是风扇扇叶尺寸过大、 转速过高,又带来了噪音问题,而且环境温度过高也会影响散热效果,所以又必须增加机箱风扇,使得噪音问题 进一步加剧。 为了降低噪音和节省能耗,在 CPU 温度不太高的时候让风扇保持低速运转,在不得已的情况下才提高转速,就成了一个被大家普遍认可的温度控制方案。 因此,大多数温度监控 系统实际上就是一个“温度-转速控制系统”,很多温度监控芯片也是针对这种需要而设计的。
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    三、第一代温度监控系统,并不可靠 第一代温度监控系统, cpu 温度监控系统根据控制电路所处的位置,可分为外部控制型和内部控制型两种基本结构。外部控制型监控系统,现在被称为第一代温度监控技术,它有三种基本存在形式∶一种
    是采用独立的控制芯片,如 WINBOND 的 W83627HF、ITE 的 IT8705、IT8712 等,这些芯片除了处理温度信号,同时还能处理电压和转速信号（如图 6）;第二种形式是在 BIOS 芯片中集成了温 度控制功能;第三种形式是南桥芯片中集成温度控制功能。在现行的主板中,三种形式同时存在,如果主板说明书中没有特别说明,我们一时难以判断监控硬件的准确位置。
    图 6 第一代热量监控系统框图 图 7 是一个以 MIC284 为核心 CPU 温度监控电路,该电路只能控制 CPU 风扇的转速,但它可以将温度信号通过 SMBus 端口传送给 BIOS 芯片,以实现更多控制功能。
   

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图7 小知识∶什么是 SMBus？
    一个实际的监控电路
    SMBus 是 System Management Bus（系统管理总线）的缩写,是 1995 年由 Intel 提出的。SMBus 只有两根信号线：双向数据线和时钟信号线。PCI 插槽上也给 SMBus 预留了两个引脚 （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。 SMBus 的数据传输率为 100kbps,虽然速度较慢,却以其结构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,都是通过 SMBus 总线收集的。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。
    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,一些监控软件正是通过这种途径来显示和调整 CPU 电压 和风扇转速的。 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。但由于监控芯片种类繁多,在功能和性能上有很大差异,给使用和鉴别带来一定困难。 首先,各种监控芯片在控制功能上有很大差异（譬如某个芯片可以控制两个风扇,多数则只能控制一个风扇）,通常引脚数越多,功能越强。 其次,即便功能相同的芯片,性能上也会有差别,其中一个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 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℃）。另一个性能差别在采样速率上,如果采样速率低（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。 因为热量可能导致系统不稳定,如果电脑死机或程序进 入死循环,就会失去监控作用,也就无法保护 CPU 了。同时,由于构成监控系统的元器件较多,战线拉得很长,导致反应速度慢,无法及时跟踪 CPU 温度变化。而现在的 CPU 不仅核心温度高, 而且升温速度快（最高可达 50℃/s）,一旦灾难来临必有“远水不解近渴”之忧患。 四、第二代温度监控技术,Pentium 4 烧不死的秘密 第二代温度监控技术,Pentium 为了弥补第一代温度监控技术的缺陷,提高监控能力,Intel 开发了第 2 代温度监控技术。 第二代温度监控系统的一个突出特点是在 CPU 内部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,同时,CPU 内设置了两个相互独立的热敏 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。
    图8
    第 2 代温度监控系统框图
    我们先看看 TCC 是如何发挥作用的。TCC 定义了两种工作状态：激活态和非激活态。TCC 的状态与 PROCHOT＃信号的电平高低相对应,PROCHOT＃为低电平时,TCC 为激活态,否则处于 非激活态。 CPU 核心温度达到警戒温度 当 （Warning Temperature） 时,温度检测电路将 PROCHOT＃信号置为低电平,从而激活 TCC。 激活后,采取“抑制任务周期” TCC （Throttle duty Cycle） 的方式（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 实质上是一个 由 CPU 温度控制的频率调节器。
    图9
    TCC 激活时,任务周期减少
    如果发生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 芯片检测到这一变化后,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,系统才能继续工作。否则 THERMTRIP#总为低电平, 系统就停留在暂停状态。“当 cpu 离开风扇的时候”,Pentium 4CPU 之所以能够安然无恙,答案就在这里。 小知识∶警戒温度与极限温度有什么不同？ CPU 警戒温度（warning temperature）和极限温度（thermal trip）都是指核心温度,但它们所代表的意义有所不同。警戒温度是能够保证 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）,是防止 CPU 免于烧毁的温度。 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确定的,并在技术白皮书中给出。 为防止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。 现在有不少主板的 BIOS 中也可以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。 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 之间是一种线性关系,降低频率是减少发热 量的有效途径。这种通过降低有效频率实现降温的措施,比之以前那种关断时钟信号的做法显然要聪明一些,避免了因强行关闭 CPU,而导致数据丢失的情况。 Pentium 4CPU 中的 PROCHOT＃引脚还有另外两个实用的功能。其中的一个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。如果超出警戒温度（电脑用户利用工具软件可以获得这个信息）,应及时检查散热器安装是否妥当,风扇转速是否正常。 PROCHOT＃引脚的另一个功能是可以保护主板上的其他元件。PROCHOT＃引脚采用双工设计——信号既可以从这根信号线出去,也能进得来。主板设计者可利用这一特性为供电模块 提供保护,当供电模块的温度超出警戒温度时,监控电路输出一个低电平到 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。 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。同时,将 TCC 集成到 CPU 内不仅对自身更加安全,也简化了主板设计,降低了主 板制造成本。可以说,第 2 代温度监控技术是一个给 CPU 制造商与下游主板厂商带来双赢的技术。 小知识∶如何设置 BIOS 中的“Processor speed throttling”？ Pentium 4 主板的 BIOS 中通常有“Processor speed throttling ”之类的选择项,用于选择超警戒温度后 CPU 任务周期（duty cycle）占全部周期的比例,在 CPU 频率不变的情况 下,这个比例越大说明 CPU 的工作效率越高。其中有“Automatic”和“On demand” 两种选择,“Automatic（自动）”表示任务周期的占空比为 50％,也就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。 五、温度控制,仅靠降频是不够的 温度控制, 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。但是这种技术也存在明显的缺陷：当温度超过警戒温度时,虽然可以勉强运行,但系统整体性能却随着 cpu 频率的下调而降低到一个很低的水平。 假如一个 3.8GHz 的 CPU 只能长期工作在 2GHz 的速度上,这等于让用户花钱买了奔驰,却只能当奥拓使用。 如果真是这样的话,第二代温度监控技术就 算不上成熟的技术,而只不过是个苟且小计。 在系统性能不受损失的前提下保证 CPU 安全稳定运行,这才是我们希望看到的结果。事实上,影响 CPU 温度的因素,除了频率外,还有 CPU 供电质量和散热效率。所以,Pentium 4 温 度监控系统采取了全面的监控措施,把频率、电压和散热三个控制参数视为保障 CPU 安全运行的三驾马车,如图点击看原图 图 10 Pentium 4CPU 温度监控方案
在供电方面,单纯采用多相供电结合大电容滤波的传统方法已难以满足 Pentium 4 （Prescott） 的要求,为此,Intel 制定了新的电压调节标准 VRD10,将 VID CPU （电压识别码） VRM9 从 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,避免 CPU 偶然烧毁的可能。有关 Pentium 4CPU 的最新供电规范,请参阅本刊 2004 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 的散热器必须具有足够强的散热能力, 以便及时将 CPU 所产生的热量带走。同时要求风扇能够输出转速信号,以实现对风扇的监控,防止因风扇停转而导致 CPU 过热的情况发生。由于 CPU 所产生的热量因工作负荷变化而有很大 变化,因此也要求风扇转速按需要自动调节,以降低不必要的能源消耗和噪音污染。 小知识∶如何判断风扇是否具有测速功能？ 有些电脑 BIOS 中显示风扇转速为 0,而实际上风扇却在正常旋转,通常是因为风扇没有测速功能。风扇是否具有测速功能,可以从风扇连线的数目来区别,具有测速功能的风扇至少 有三根线,通常红色线为＋12V,黑色线为地线,黄色线或白色线就是测速信号线。如果还有第四根线——一根蓝色的信号线,那是用于变频调速的脉宽调制信号 PWM,如图 11。
图 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 行解剖,如图 12。先看看风扇的情况,图中 TACH 是风扇电机速度信号,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 信号可以看出三只风扇都是可 以调速的。
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三个信号中,SDA 是 SMBus 双向数据线,它既可以将电源电压、CPU 核心温度、风扇转速和环境温度等全部监 控信息发送给 BIOS 实现进行显示,也可以由 BIOS 将来自系统的命令发送给监控芯片（前面已经介绍过,监控芯片是可编程的 ASIC,所以完全有能力处理这些来自系统的命令）,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。 监控芯片与 CPU 之间通过 4 个引脚进行联络：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,而不是 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。这些控制功能完全体现了第 2 代温度监控技术的特点。 六、现有技术并不完善 CPU 温度监控系统在电脑中虽然毫不起眼,人们很少去注意它,但它对整个系统来却起着十分重要的作用,像一位藏在后面的天使,默默地守护着我们的电脑。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,系统设计者必须在性能、耗电量、噪音和热量四个因素之间进行综合平衡。正因为如此, 温度监控技术经历了从无到有、逐渐成熟的发展过程,从一个侧面见证了 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。 我们也应看到,现有的监控技术水平还远没有达到理想的状态,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、频率和散热三个子系统目前处于 各自为战的状态。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。

   

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2013-12-28 11:54 上传

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