P4凭什么烧不死：剖析CPU温度监控技术(4)

四、第二代温度监控技术，Pentium 4烧不死的秘密

    为弥补了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，如图8。

图8  注∶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。当微处理器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）的方式（如图9），使微处理器有效频率下降，从而达到降低功耗的目的。当微处理器的温度降低后（低于警戒温度1℃以上），TCC回到非激活态，微处理器恢复到“标称频率”。可见，TCC实质上是一个由微处理器温度控制的频率调节器。

图9 注∶TCC激活时，任务周期减少

    如果发生灾难性冷却失败的情况，使微处理器温度超出极限温度（thermal Trip），TCC将设THERMTRIP#信号为低电平，BIOS芯片检测到这一变化后，直接关闭微处理器时钟信号，并通过PWM控制器封锁VRM向微处理器供电，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。“当微处理器离开风扇的时候”，Pentium 4微处理器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？

    微处理器警戒温度（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。

    各款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，避免了因强行关闭微处理器，而导致数据丢失的情况。

    Pentium 4处理器中的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，说明微处理器核心温度超过了警戒温度，此时微处理器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，通过降低微处理器功耗来达到保护供电模块的目的。

    可见，Pentium 4处理器不仅能自保平安，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集成到微处理器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微处理器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处理器任务周期（duty cycle）占全部周期的比例，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“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。

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