如何测量CPU的温度？

到目前为止，没有可以确保永远不会出现故障的cpu冷却系统. 失去冷却系统保护伞的“核心”通常会在几秒钟之内永远停止“跳跃”. 幸运的是，聪明的工程师已经开发出有效的CPU温度监视和保护技术. 它具有特殊而敏锐的嗅觉，可以随时监控CPU的温度变化，并提供必要的保护措施，以防止CPU在高温下灭绝. 我们认为，探索这项技术就像开始一段神秘而有趣的旅程，为什么不跟我们同行呢？

CPU的功耗和温度随着操作速度的加快而持续增加，并且已经成为一个彻头彻尾的“烫手山芋”. 如何使CPU安全运行，提高系统可靠性以及如何防止因过热而导致的崩溃，蓝屏，反复重启甚至CPU烧毁，不仅是CPU面临的难题，也是主板设计人员的重要问题. 因此，英特尔率先提出了温度监视器（Thermal Monitor）的概念，该概念通过温度控制和CPU的过热保护大大提高了稳定性和安全性.

但是，由于计算机爱好者和普通用户对CPU温度监控系统了解不多，并且很难获得介绍该知识的中文资料，因此在遇到相关问题时会感到茫然，因此有必要更改CPU温度监控技术被系统地介绍给每个人.

1. 温度测量: 从表面到核心

要建立CPU温度监控系统，首先必须选择合适的温度测量设备. 有多种可以测量温度的设备，例如热敏电阻，热电偶和半导体温度传感器. 热敏电阻首先在计算机中用作温度测量元件. 热敏电阻（图1）位于CPU插槽下面，是球形或带状的小元件.

图1 CPU插槽下方的热敏电阻

热敏电阻（Thermal Resistor，简称热敏电阻）虽然体积小，价格低，使用方便，但在检测CPU温度时存在固有的缺点: 1.热敏电阻是一种触点温度测量元件. CPU接触点距离不够近，CPU的热量无法有效传递，所测温度会有较大误差. 一些主板使用SMD芯片热敏电阻来测量CPU的温度. 测量误差大于垂直热敏电阻的测量误差，因为这种芯片组件很难紧密接触CPU. 2. CPU的内核（芯片）将热量从芯片封装散发到外部. CPU的表面温度与核心温度之间存在大约15℃〜30℃的温差. 同时，对于不同的芯片封装形式和不同的环境温度来说是困难的. 确定. 到目前为止，还没有技术可以将热敏电阻掩埋在芯片中. 结果，热敏电阻只能测量CPU的表面温度，而不能测量核心温度. 简而言之，热敏电阻不仅难以保证测量精度，而且更重要的是，无法检测到热源的真实温度. 由于热敏电阻的不足，带来了一个非常严重的问题: 表面温度无法及时反映CPU内核的温度变化. 用术语来说，这是一个时滞问题. 因为一段时间后核心温度的变化可以传递到CPU表面. 图2反映了核心温度测量方法下保护电路的功能. 当核心温度达到CPU极限温度T2时，控制电路会及时切断CPU的电源，否则仅需几秒钟即可达到烧断温度T3. 相比之下，表面温度响应非常慢，并且加热速率远低于中心温度

度，当核心温度急剧变化时，表面温度仅“略微升高”. 最新的CPU（例如Pentium 4和Athlon XP）的核心温度变化率为30-50°C / s. 核心温度变化越快，测量温度的延迟误差就越大. 在这种背景下，如果将表面温度用作控制目标，则保护电路尚未反应，CPU可能会死机.

图2表面温度的时滞特性. 为了解决热敏电阻无法测量CPU内核的实际温度的问题，英特尔在奔腾Ⅱ和赛扬CPU中植入了一个热敏二极管（Thermal Diode，或Thermodiode）来直接测量CPU内核温度开创了先例在半导体温度测量技术中. 从那时起，奔腾Ⅲ和奔腾4芯片已经植入了热敏二极管，而AMD也在Athlon和Duron CPU中植入了热敏二极管. 现在，许多主板的监控芯片中都装有热敏二极管，以检测芯片所在的环境温度. （提示: 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？）目前，无论您使用Intel还是AMD CPU，都很少使用热敏电阻来测量CPU表面温度. ，因此BIOS检测软件显示的CPU温度是指CPU的核心温度. 在奔腾Ⅱ之前，CPU温度通常是指表面温度. 奔腾Ⅱ及更高版本的CPU集成了热敏二极管，测得的温度是核心温度. 但是，在过渡期间，许多主板仍将热敏电阻保持在CPU插槽下方，以便可以同时检测到两个不同的CPU温度值. 通常，BIOS中会显示CPU的在-55°C至+ 150°C之间. 像热敏电阻一样，热敏电阻也是一个压敏电阻，其等效电阻取决于其工作温度. 2.温度监控: 从简单显示到温度监控

在热敏电阻是主要的温度测量方法期间，通过放大器将测得的CPU表面温度放大，然后进行A / D转换. 将模拟信号转换为数字信号，然后通过数据线发送到BIOS芯片（如图3所示），数据进入BIOS芯片后，可以在屏幕上显示BIOS或监控软件.

图3温度信号处理电路温度显示系统是无源系统，无法调节温度. 一旦测得的CPU温度超过设定温度，计算机就会发出声光警报，提醒计算机用户进行人为干预. 对于当前的大型发热CPU，这种系统基本上不安全. 如果冷却系统出现问题，CPU将被烧毁而无需等待用户响应. 因此，英特尔提出了温度监控的概念，使系统具有一次自我调节的能力.

CPU温度超过设定的极限温度，系统将通过降低电源电压，降低芯片的工作频率并增强散热来主动降温，甚至自动关闭以确保CPU的安全.

温度监视技术具有两个鲜明的特征: 一个是CPU具有一个内置的热二极管来直接测量核心温度，另一个是在主板上安装了监视芯片（请参见图4）. 英特尔首先在奔腾Ⅱ和赛扬CPU中植入了热敏二极管，并发布了具有温度监控技术的主板设计指南. 该计划得到了主板制造商的积极回应. 具有自己特征的所谓“智能主板”如雨后春笋般涌现. 突然辉煌. 一些功能强大的主板制造商还开发了自己的监控芯片（例如MSI的CoreCell等）. 短短几年间，温度监控技术取得了长足的进步，温度监控功能不断完善.

图4各种硬件监视芯片. 在实际监控系统采取的主动冷却措施中，哪种方法更实用？下面我们进行简要分析. 芯片的功耗（发热）由静态功耗和动态功耗组成（图5）. 静态功耗是由泄漏电流引起的. 从P ＝ V2 / R可以看出，当芯片的等效电阻R保持不变时，功耗P与电压V的第二功率成正比. 降低电源电压可以大大降低静态功耗. 因此，这些年来，芯片的工作电压已从5V降至3.3V，甚至低于目前的1V. 我们当然希望进一步降低该值，但是如果没有栅极材料具有较高的k值，则不能保证晶体管将在低压下导通和截止. 因此，降低电压的手段毕竟仍然受到限制. 而且由于集成在CPU中的晶体管数量的摩尔定律逐年增加，因此并联的许多晶体管的等效电阻值一直在降低，并且内层和绝缘层之间的绝缘层变薄. 集成电路还会增加各层之间的泄漏电流，因此CPU的静态功耗一直呈上升趋势.

图5芯片技术进步泄漏功耗的增加芯片的动态功耗P = CV2f，其中C代表电路负载的大小，V代表电源电压，f代表工作频率. 可以看出，f与芯片的动态功耗成正比，频率越高，功耗越高. 尽管降低CPU时钟频率是降低动态功耗的有效方法，但是计算机用户始终希望程序能够更快地执行，并且通过降低频率进行冷却的方法难以为用户所接受. 由于降低冷却方法的电压和频率存在许多实际困难，因此使用风扇带走热量已成为最简单，最可行的方法. 近年来，CPU风扇的尺寸越来越大，速度越来越高，这使得排气量越来越大，这在一定程度上缓解了CPU温度过高的问题. 但是，风扇叶片过大，转速过高会带来噪声问题，环境温度高也会影响散热效果，因此必须增加机箱风扇，进一步加剧了噪声问题. 为了降低噪音并节省能耗，在CPU温度不太高时让风扇保持低速运行，并在需要提高速度时提高速度. 这已成为公认的温度控制解决方案. 因此，大多数温度监视系统实际上是一个“温度-速度控制系统”，并且为此目的还设计了许多温度监视芯片.

;第三，第一代温度监控系统不可靠

根据控制电路的位置，CPU温度监控系统可以分为两个基本结构: 外部控制类型和内部控制类型. 外部控制监视系统现在称为第一代温度监视技术. 它具有三种基本形式: 一种是使用独立的控制芯片，例如WINBOND的W83627HF，ITE的IT8705，IT8712等，这些芯片除了处理温度信号外，还处理电压和速度信号（图6）；第二种形式是在BIOS芯片中集成温度控制功能. 第三种形式是在南桥芯片中集成温度控制功能. 当前主板中，同时存在三种形式. 如果主板手册中没有特别说明，那么我们很难在一段时间内判断监视硬件的确切位置.

图6第一代热监控系统的框图图7是以MIC284为核心的CPU温度监控电路. 该电路只能控制CPU风扇的速度，但可以通过SMBus端口将温度信号传输到BIOS芯片. 实现更多的控制功能.

图7实际的监视电路. 提示: 什么是SMBus？ SMBus是Intel在1995年提出的System Management Bus的缩写. SMBus只有两条信号线: 双向数据线和时钟信号线. PCI插槽上有两个用于SMBus的引脚（A40是SMBus时钟线，而A41是SMBus数据线）以便于PCI接口卡和主板设备之间的信息交换. SMBus的数据传输速率为100kbps. 尽管速度相对较慢，但由于其结构简单且成本低廉，它已成为业界流行的接口标准. 通过SMBus总线收集诸如Windows中显示的各种设备的制造商名称和型号之类的信息. 各种传感器的测量结果在主板监控系统中传输，BIOS将命令发送到监控芯片，这也由SMBus实现. 监视芯片通常是可编程ASIC微控制器. 应用软件通过接口电路通过BIOS将控制命令和数据发送到监视芯片，以修改其控制参数. 某些监视软件使用此方法来显示和调整CPU电压和风扇速度. 监控芯片是温度监控系统的核心，其质量对控制性能影响很大. 但是，由于监控芯片种类繁多，功能和性能差异很大，给使用和识别带来一定困难. 首先，各种监控芯片的控制功能有很大不同（例如，某个芯片可以控制两个风扇，其中大多数只能控制一个风扇）. 通常，引脚越多，功能越强. 其次，即使是功能相同的芯片，性能也会有所不同，其中重要的区别之一就是数据位的不同（例如，MAX6682的分辨率为10位，TC1024为9位，FMS2701为8位） ，位数

自然会降低少数芯片输出数据的准确性（8位芯片的温度转换误差为±3°C）. 另一个性能差异在于采样率. 如果采样率较低（例如FMS2701的采样率为1s），将不可避免地增加信号延迟，并且无法及时跟踪CPU温度的变化.

第一代CPU温度监视技术基于对外国援助的依赖. 当CPU过热并超过极限温度时，系统会向CPU发送HLT命令以停止系统. 由于热量可能导致系统不稳定，因此，如果计算机崩溃或程序进入死循环，监视功能将丢失，CPU也将不受保护. 同时，由于构成监视系统的组件数量众多，前线绘制得很长，导致响应速度较慢，无法及时跟踪CPU温度变化. 但是，当前的CPU不仅具有较高的核心温度，而且具有较快的加热速率（最高50°C / s）. 一旦灾难袭来，人们就会担心“遥远的水不会解渴”.

四，第二代温度监控技术，奔腾4燃烧不死的秘密

为了弥补第一代温度监控技术的不足并提高监控能力，英特尔开发了第二代温度监控技术.

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）. CPU本身执行温度控制功能. 同时，有两个独立的热敏二极管，D1是本地热敏二极管，将测量信号提供给TCC，而D2是远程热敏二极管. 测量结果用于实现主板控制功能并显示核心温度，如图8所示.

图8第二代温度监控系统的框图让我们看一下TCC的工作原理. TCC定义了两个工作状态: 活动状态和非活动状态. TCC的状态对应于PROCHOT#信号的电平. 当PROCHOT#为低电平时，TCC处于活动状态，否则处于非活动状态. 当CPU内核温度达到警告温度（警告温度）时，温度检测电路将PROCHOT#信号设置为低电平以激活TCC. 激活TCC后，采用“节流占空比”（Throttle duty Cycle）方法（图9）来降低CPU的有效频率，从而达到降低功耗的目的. 当CPU的温度下降（比警告温度低1°C）时，TCC返回到非活动状态，并且CPU返回到“标称频率”. 可以看出，TCC本质上是由CPU温度控制的频率调节器.

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