 Разработчики и производители современных компьютеров в конкурентной борьбе за достижение высоких показателей производительности стремятся к максимальной реализации потенциальных возможностей комплектующих. При этом нередко экстремальные условия эксплуатации комплектующих, связанные с быстрым ростом вычислительной мощности компьютеров, требуют контроля параметров их работы. Это обеспечивает не только выбор оптимального режима, но и определенный уровень защиты. Поэтому все чаще производители материнских плат стали встраивать в архитектуру своих изделий средства аппаратного мониторинга (hardware monitoring), обеспечивающие поддержку функций диагностики и контроля наиболее важных параметров основных подсистем и элементов компьютера.
Как правило, к таким параметрам относятся:
 температура (процессора, материнской платы, воздуха внутри корпуса и.д.)
напряжения питания (процессора, элементов материнской платы и т. д.),
скорость вращения охлаждающих вентиляторов (процессора, блока питания
и т. д.).
Рис.1.Схема мониторинга аппаратных средств компьютера
Постепенно средства аппаратного мониторинга становятся не только крайне желательным, но и обязательным атрибутом архитектуры современных высокопроизводительных и высоконадежных систем. Такие средства все чаще встраиваются в состав высокопроизводительных чипсетов.
К сожалению, архитектуры некоторых популярных чипсетов, например, i440BX (i440BX AGPset) не имеют встроенных средств аппаратного мониторинга, как это осуществлено в соответствующих компонентах современных чипсетов, к которым относятся, например, VIA Apollo Pro133A и VIA Apollo KT133A с микросхемами South Bridge VT82C686A и VT82C686B. Однако, несмотря на отсутствие в архитектуре i440BX подобных средств, эта возможность в ряде материнских плат была реализована с помощью специальных микросхем, таких как LM78 и LM79 фирмы National Semiconductor, W83781D и W83782D фирмы Winbond. Один из таких примеров использования микросхемы Winbond W83782D в архитектуре материнской платы, основой которой является чипсет i440BX, представлен на рис 2.
Рис. 2. Включение микросхем аппаратного мониторинга и ввода/вывода в архитектуру компьютера с чипсетом i440BX AGPset
Необходимо отметить, что некоторые производители материнских плат, выпускающих свои изделия на современных чипсетах, в состав которых входят средства аппаратного мониторинга, не удовлетворены их возможностями и используют либо указанные микросхемы, либо подобные. Так, например, фирма ASUSTeK, являющаяся одним из крупнейших производителей материнских плат, сравнительно часто применяет микросхему мониторинга свой собственной разработки. В качестве примера можно привести функцию PC Health Monitoring, реализованную с помощью фирменного чипа ASIC (Application Specific Integrated Circuit) AS99127F (рис. 2). Кстати, нередко аналогичным образом эта фирма поступает для реализации сетевых функций, а также ряда дополнительных контроллеров, например, IEEE1394.
Рис. 3. Микросхема мониторинга на материнской плате ASUS CUSL2.
Использование специализированных микросхем аппаратного мониторинга объясняется нередко более высокими параметрами по сравнению со средствами, встроенными в компоненты чипсетов. В первую очередь это касается количества контролируемых параметров и точности их измерения. Последнее наиболее актуально в режимах разгона при использовании повышенных напряжений, близких к предельным значениям, когда существенными становятся уже сотые доли вольта. Недостаточная точность измерений, осуществляемая элементами аппаратного мониторинга может привести к искажению результатов, неправильным действиям и, как результат, к возможному повышению вероятности выхода из строя разгоняемых компонентов компьютера.
В качестве примера специализированных средств аппаратного мониторинга на рис.4-5 приведены структуры микросхем W83782D (W83782D Winbond H/W Monitoring IC) фирмы Winbond и LM78/LM79 фирмы National Semiconductor. На этих рисунках представлены также схемы подключения датчиков и варианты подачи на входы микросхем контролируемых напряжений, различной величины и полярности. Приведенные микросхемы часто используются в архитектуре материнских плат в цепях аппаратного мониторинга.
Рис. 4. Внутренняя структура микросхемы W83782D и схема подключения датчиков.
Рис. 5. Внутренняя структура микросхемы LM78 и схема подключения датчиков.
Основой внутреннего устройства этих и подобных микросхем является многоканальный 8-разрядный АЦП (ADC). Он обеспечивает ввод и преобразование 256 значений входных сигналов положительной полярности, например, 3,3 В. Диапазон работы АЦП составляет 0-4,096 В, а шаг квантования — 16 мВ (4,096 В / 256). Для расширения диапазона входных напряжений используются либо внутренние, либо внешние резисторные делители, номиналы элементов которых зависят от контролируемых уровней. Это позволяет обрабатывать напряжения +5 В и +12 В.
Для корректной работы измерительных схем требуется согласование их входных сопротивлений в зависимости от выходных сопротивлений датчиков. Это позволяет достичь максимального соотношения сигнал/шум. Для целей согласования могут быть использованы либо последовательные резисторы, либо специальные электронные схемы, например, повторители (схемы с общим коллектором — ОК, общим истоком — ОИ и т.д.).
Необходимо отметить, что номиналы согласующих резисторов влияют на измерение абсолютных значений измеряемых напряжений. Возможно, именно с этим связаны некоторые проблемы работы аппаратного мониторинга ряда материнских плат, связанные, например, с индикацией завышенных значений контролируемых напряжений. Известны случаи когда средства аппаратного мониторинга материнской платы показывают напряжение ядра процессора 1,7 В при реально установленном значении 1,65 В. Возможно, это связано и с неудачными схемами дополнительных согласующих каскадов, а возможно и с детектированием помех, высокий уровень которых, связан с неудачной разводкой подобных материнских плат.
Кроме контроля положительных напряжений возможен также ввод и обработка напряжений отрицательной полярности, например, -5 В и -12 В. Для этого в составе указанных микросхем используются операционные усилители в инвертирующем включении, что хорошо видно на схеме LM78/LM79. В этом случае согласование входных уровней с требуемым диапазоном АЦП осуществляется соответствующими резисторами, определяющими входные сопротивления каскадов и величины обратных связей данных операционных усилителей. Рекомендуемые значения внешних резисторов в зависимости от измеряемых напряжений приведены в соответствующей таблице.
Рекомендуемые значения внешних резисторов в зависимости от измеряемых напряжений
|
Измеряемые напряжения,
В
|
R1 или R3,
кОм
|
R2 или R4,
кОм
|
Напряжения на входе микросхемы,
В
|
|
+2.5
|
0 |
- |
+2.5 |
|
+3.3
|
0 |
- |
+3.3 |
|
+5
|
6.8 |
10 |
+2.98 |
|
+12
|
30 |
10 |
+3 |
|
-12
|
240 |
60 |
+3 |
|
-5
|
100 |
60 |
+3 |
Приведенные микросхемы позволяют измерять и значения температур контролируемых элементов, для чего в качестве датчиков используются, как правило, терморезисторы — резисторы, сопротивление которых зависит от температуры. Подключение этих элементов осуществляется обычно так, как это показано, например, на схеме с W83782D (рис. 4). Под влиянием колебаний измеряемой температуры меняется величина внутреннего сопротивления терморезистора, а следовательно, и тока, и напряжения на этом элементе, который подключен к опорному напряжению через резистор 10 кОм (1%). Изменение напряжения на данном терморезисторе фиксируется АЦП в составе микросхемы аппаратного мониторинга подобно тому, как это осуществляется при контроле напряжений питания.
Вместо терморезистора в качестве датчика температуры может использоваться и транзистор в диодном включении, например, как это показано на рис. 6 а. Принцип работы такого датчика основан на зависимости порогового напряжения открывания кремниевого p-n-перехода от температуры. В результате этого эффекта при изменении температуры транзистора-диода напряжение порога меняется практически линейно с отрицательным градиентом 2,3 мВ/C (dV ~ 1/T). Это означает, что в приведенной схеме напряжение на транзисторе 2N3904, подключенном через высокоомный резистор к опорному напряжению V REF = 3,6 В, будет уменьшаться с ростом температуры. Кстати, в существовании данного эффекта может убедиться каждый, собрав схему из последовательно соединенных диода (например, КД523) и резистора 20-30к, подключенных к стандартной батарейке 4,5 В. Напряжение, измеряемое на диоде, будет уменьшаться при нагревании его паяльником (не более 2-3 секунд).
Аналогично варианту с транзистором для контроля температурного режима работы процессора иногда могут быть использованы и такие средства, как, например, термодиод, включенный в состав кристалла процессора Pentium III. Использование в архитектуре процессора термодиода вместо традиционного терморезистора объясняется достаточно просто. Дело в том, что в современных сложных микросхемах, к которым относятся и процессоры, практически все элементы создаются на основе p-n-переходов, выполняющих не только функции транзисторов и диодов, но и резисторов, и даже конденсаторов. Рекомендованное минимальное значение тока встроенного термодиода – 5 uA, максимальное – 300 uA.
Схема подключения встроенного термодиода процессора Pentium III к микросхеме W83782D представлена на рис. 6 b. Опорное напряжение — 3,6 В.
Рис. 6. Схема подключения к микросхеме W83782D полупроводниковых термодатчиков:
а - транзистора 2N3904,
b - термодиода, встроенного в кристалл процессора Pentium III.
Оценивая показания подобного датчика, необходимо учитывать предельные значения температуры ядра процессора T1 (Maximum Tjunction) и величину ошибки T2, возникающей вследствие существующего пространственного градиента температуры в кристалле процессора, а также конечной скорости распространения тепла. Учитывая конечность скорости распространения тепла в кристалле процессора при постоянно меняющемуся в соответствии с колебаниями загрузки узлов процессора пространственному распределению температур, к величине T2 разработчики рекомендуют добавить еще ошибку измерения температуры, составляющей примерно 1 С.
Таким образом, для процессоров Pentium III FC-PGA и SC242 (Slot 1) при использовании в качестве температурного датчика термодиода за величину предельной температуры работы целесообразно принять значение, равное T1-T2-1.
Подобным образом подключается и термодиод процессора Pentium 4.
При использовании в качестве термодатчика традиционного терморезистора за предельную величину температуры работы процессора Pentium III/4 целесообразно принять значение максимальной температуры корпуса, составляющей обычно 75 С.
Температурные параметры процессоров Pentium III FC-PGA
|
Процессор
|
T1, C
|
T2, C
|
|
500E
|
85 |
1,9 |
|
533EB
|
85 |
2,0 |
|
550E
|
85 |
2,1 |
|
600E
|
82 |
2,3 |
|
600EB
|
82 |
2,3 |
|
650
|
82 |
2,5 |
|
667
|
82 |
2,5 |
|
700
|
80 |
2,7 |
|
733
|
80 |
2,8 |
|
750
|
80 |
2,8 |
|
800
|
80 |
3,0 |
|
800EB
|
80 |
3,0 |
|
850
|
80 |
3,3 |
|
866
|
80 |
3,3 |
|
933
|
75 |
3,6 |
Выводы термодатчика процессоров Pentium III/4
|
Выводы термодиода
|
SC242 (Slot 1) PIII
, контакты
|
FC-PGA PIII, контакты
|
423 PGA P4, контакты
|
|
Анод
|
B14 |
AL31 |
H38 |
|
Катод
|
B15 |
AL29 |
E39 |
Процессоры AMD Athlon и AMD Duron, а также изделия Intel ранних разработок не имеют встроенных в кристалл датчиков температуры. Поэтому температурный режим процессоров этого типа осуществляется с помощью внешних датчиков, устанавливаемых обычно либо рядом с процессорами стандартов Slot A и Slot 1, либо внутри разъемов Socket A (Socket 462) и Socket 370 (рис. 7-8) для процессоров конструктива PGA, FC-PGA и т. п. При этом для обеспечения нормальной работы термодатчиков и получения корректных значений температуры процессоров разработчики материнских плат предусматривают тепловой контакт датчиков с корпусами процессоров. Учитывая возможность механической деформации или даже повреждения крепления термодатчиков, целесообразно проконтролировать качество теплового контакта.
Рис. 7. Внешний датчик температуры процессора для конструктива Slot 1.
Рис. 8. Внешний датчик температуры процессора, установленный внутри Socket A.
Рассматривая особенности измерения температуры с помощью микросхем LM78/L79, следует отметить, что в качестве датчика рекомендовано использование LM75. Несмотря на наличие только одного входа для подключения внешнего термодатчика, имеется возможность подключения до 8 устройств LM75. В этом случае выбор осуществляется с помощью использования соответствующих интерфейсных линий ISA, I2C: SDA, SCL, A0, A1, A2.
Необходимо отметить, что приведенные и аналогичные микросхемы, используемые в аппаратном мониторинге, не нуждаются в проведении операций калибровки и, как правило, подобных средств, доступных пользователям, не имеют. Корректность и точность работы достигается использованием датчиков и схем подключения, рекомендованных производителями микросхем, архитектура же микросхем, как правило, предусматривает их программирование.
Основные параметры описанных микросхем, а также микросхем W83781D, W83783S и W83L784R фирмы Winbond, ориентированные на применение в относительно дешевых системах и в портативных компьютерах, приведены в соответствующих таблицах. Для сравнения представлены также основные параметры интегрированных средств аппаратного мониторинга в микросхеме VT82C686A, часто используемой в составе чипсетов фирмы VIA.
Основные параметры микросхем W83781D, W83782D, W83783S, W83L784R
|
Параметры
|
W83781D
|
W83782D
|
W83783S
|
W83L784R |
|
Контроль температуры, входов
|
3 |
3 |
3 |
2 и 1 on chip |
|
Контроль напряжений, входов
|
5(+), 2(-) |
9 |
6 |
4 |
|
Контроль вентиляторов, входов
|
3 |
3 |
3 |
2 |
|
Контроль целостности корпуса
(открыт/закрыт), входов
|
1 |
1 |
1 |
- |
|
Типовые значения контролируемых напряжений, В
|
VcoreA, VcoreB, 3.3, 5, 12,
-12, -5 |
Vcore, 3.3, 5, 12, -12, -5, +5V Vsb, Vbat, 1 reserved |
Vcore, 3.3, 5, 12, -12, -5, |
Vcore, 3.3, 5, Battery |
|
Точность измерения напряжений, %
(макс.) +/-
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
Точность измерения температуры, С
(макс.) +/-
|
3 |
3 |
3 |
3 |
|
Встроенный АЦП
(ADC), разрядов
|
8 |
8 |
8 |
8 |
|
Интерфейс
|
ISA, I2C |
ISA, I2C |
ISA, I2C |
ISA, I2C |
|
Напряжения питания, В
|
5 |
5 |
5 |
5 |
|
Ток потребления, мА
|
1 |
5 |
5 |
2 |
|
Тип корпуса микросхемы
|
48p LQFP |
48p LQFP |
24p SOP |
20p SSOP |
Основные параметры микросхем LM78 и LM79
|
Параметры
|
LM78
и LM79
|
|
Контроль температуры, входов
|
1 и sensor on chip
|
|
Контроль напряжений, входов
|
5(+), 2(-) |
|
Контроль вентиляторов, входов
|
3 |
|
Типовые значения контролируемых напряжений, В
|
2.5Va, 2.5Vb, 3.3, 5, 12, -5, -12 |
|
Точность измерения напряжений, % (макс .)
|
1 |
|
Точность измерения температуры, С (макс.)
|
3 |
|
Точность измерения
FAN RPM, % (макс.)
|
10 |
|
Встроенный АЦП (
ADC), разрядов
|
8 |
|
Интерфейс
|
ISA, I2C |
|
Напряжения питания, В
|
5 |
|
Ток потребления, мА
|
1 |
|
Тип корпуса микросхемы
|
VGZ44A (PQFP) |
Основные параметры аппаратного мониторинга в VT82C686A
|
Контроль температуры, входов
|
2 и 1 внутр.
|
|
Контроль напряжений, входов
|
4(+) и 1 внутр.
|
|
Контроль вентиляторов, входов
|
2 |
Выпуск материнских плат с реализацией средств аппаратного мониторинга с помощью специализированных микросхем продолжается, несмотря на сокращение выпуска i440BX и появление новых чипсетов с улучшенной архитектурой, разработанных и выпускаемых фирмами Intel, VIA, ALi и SiS. Данные чипсеты отличаются более сложной конструкцией и более широким набором функциональных возможностей по сравнению с i440BX, хотя и нередко уступают ему по производительности. В их состав, фирмы-разработчики, как правило, входят различные средства мониторинга, включая аппаратный мониторинг.
Аппаратные средства мониторинга (hardware monitoring), реализованные либо с помощью специализированных микросхем, либо встроенные в компоненты чипсета, и дополненные соответствующими датчиками позволяют, как правило, только измерять заданные параметры. Осуществить контроль, вывод на экран монитора, а также провести необходимый анализ значений этих параметров позволяют специальные программы. Нередко сравнительно простые программы, предоставляющие подобный сервис, встроены в BIOS Setup материнских плат. Возможности подобных средств, число и точность измерения контролируемых параметров определяются используемыми микросхемами, датчиками, а также версиями программного кода BIOS. В качестве примера встроенных программных средств мониторинга на рис. 9 приведено меню PC Health Status, входящее в BIOS Setup популярной материнской платы Abit BE6-II, основу которой составляет чипсет i440BX.
Рис. 9. Мониторинг в BIOS Setup
|
