温控技术介绍

温控技术介绍
随着运行速度的加快微处理器功耗和温度都在不断增大，如何使处理器安全运行，提高系统的可靠性，防止因过热而产生的死机、蓝屏、反复重启动甚至处理器烧毁，不仅是处理器所面临的困境，也是主板设计面临的重要课题。为此Intel提出了温度监控器（Thermal Monitor，以下简称TM）的概念，其目的就是通过对处理器进行温度控制和过热保护，增加处理器的稳定性和安全性。
温度测量：
建立微处理器温度监控系统，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，微处理器插座下竖立的球状或带状的小元件就是热敏电阻，如下图
热敏电阻（Thermal Resistor ，简称Thermistor）体积小、价格低，使用方便，但热敏电阻测量精度难以保证，更重要的是无法检测到处理器核心的真实温度。不过此项技术并非无用武之地，对于处理器内部温度测量不能达到要求，但对于环境温度测量还是能达到要求的，如主机箱内部的环境温度等。
为了解决热敏电阻无法测量微处理器核心真实温度的问题，Intel在Pentium Ⅱ和Celeron处理器中植入了热敏二极管（Thermal Diode，或简称作Thermodiode）直接测量处理器核心温度，此后的Pentium Ⅲ和Pentium 4芯片中都植入了热敏二极管，AMD在Athlon和Duron处理器中也植入了热敏二极管。目前，无论Intel还是AMD的微处理器已很少使用热敏电阻测量微处理器表面温度，所以BIOS与检测软件所显示的微处理器温度都是指微处理器的核心温度，而在Pentium Ⅱ以前，微处理器温度通常是指表面温度。

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。
温度监控
在热敏电阻为主要测温手段时期，测得的微处理器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，数据进入BIOS芯片后，BIOS或监控软件就能在屏幕上显示。温度显示系统是一种被动的体系，无法对温度进行调节。一旦测得微处理器温度超出设定温度，电脑可以发出声光报警，以提醒电脑用户进行人为干预。但这种系统用于目前发热量大的微处理器上根本没有安全性可言。如果散热系统发生问题后，没等用户反应过来，微处理器就已经烧毁了。因此，Intel提出了温度监控的概念，让系统具有自我调控能力，一旦微处理器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，以确保微处理器安全。
温度监控技术有两个鲜明的特点∶
• 1微处理器内置热敏二极管直接测量核心温度
• 2主板上设置监控芯片
第一代微处理器温度监控技术是建立在依靠外援的基础上，当微处理器过热而超过极限温度时，由系统向微处理器发出HLT命令，让系统暂停。但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，也就无法保护微处理器了。同时，由于构成监控系统的元器件较多导致反应速度慢，无法及时跟踪微处理器温度变化。而现在的微处理器不仅核心温度高，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。
第二代温度监控系统的一个突出特点是在微处理器内部集成了温度控制电路（Thermal Control Circuit，TCC），由微处理器自身执行温度控制功能，同时，微处理器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
处理器核心温度
处理器核心温度包括微处理器警戒温度（warning temperature）和极限温度（thermal trip），但它们具有不同的含义。警戒温度是能够保证微处理器稳定运行的温度；极限温度也叫最高核心温度（Maximum die temperature）或关机温度（Shutdown temperature），是防止微处理器免于烧毁的温度。
不同微处理器的警戒温度和极限温度值是制造商根据微处理器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 4微处理器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。
现在很多主板的BIOS中已经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。
Pentium 4主板的BIOS中通常有“CPU THRM-Throttling ”之类的选择项，用于选择超警戒温度后处理器任务周期（duty cycle）占全部周期的比例（占空比），在处理器频率不变的情况下，这个比例越大说明处理器的工作效率越高。其中有50%表示任务周期的占空比为50％，也就是说比正常频率低一半，选项中还可能有75%、25%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。
散热技术：
谈到温度控制自然离不开散热技术，从散热设备上说，散热技术大体可以分为三大类：风冷散热，液冷散热，导热管散热技术。目前CPU所采用的主流散热方式是风冷散热。
风冷散热器有两大重要部件：风扇和散热片。风扇的作用是加快散热片表面空气的流动速度，从而提高散热片和空气的热交换速度，目前所用大部分风扇均支持温控功能。对于散热片来说散热片底部的厚度越厚越好，对于底部较厚的散热片，它可以很快吸收到CPU的热量，存储的热量也更多。为了不使CPU长期工作在高温环境下，除了要求散热片本身的导热性较好以外，还需要风扇提供大的风流来吹散CPU热量。
目前主机所用的主要散热方式也是风冷散热，通过BIOS对CPU及机箱温度的监视来控制风扇的转速从而达到散热的目的。进入BIOS后我们可以看到PC Health Status选项，此项内容提供了温控系统的监控功能及策略，如下图

主板BIOS温控功能

BIOS温控流程图

1 开机过程：
计算机开机后，主板向CPU 风扇、系统风扇输出12V 直流电压，持续时间0.5~1 秒（最长不超过1 秒），使风扇启动，开机1 秒以后，风扇输入电压降低到6V 直流或PWM 等效6V 电压，直到BIOS 温控生效。
2 BIOS 实现部分：
a) CMOS 设置
在CMOS 的“PC Health Status”中设置如下Item（不同BIOS其命令可能不同）：

通过“Fan Policy”可以开启或关闭温度控制功能，依据温控方案显示正确的Fpwm 和Tj 参数值
b) BIOS 实现
BIOS 根据SuperI/O 类型通过SMI（系统管理中断，控制电源管理电路来管理微机系统部件的电源） 方式对风扇转数进行调整
3 温控方案
将CPU 按照功率特性进行分组，每组设定不同的温控参数，主板BIOS 内预置所有可能用到的CPU 的温控参数，在工作时，BIOS 根据CPU 的分组调用相应的温控参数（该参数不需手动更改，如要更改请根据实际使用需求操作），在用CPU 分组见下表：

更详细请查看：TCL电脑各部件维修检测规范