在本系列中，已分別介紹過PWM vs. DC風扇控制（系列一）、精確溫度量測（系列二）、SST（系列三），以及在上篇文章中介紹了平台環境控制介面（Platform Environmental Control Interface；PECI）協定和數位溫度感測器（Digital Thermal Sensor；DTS）。在具備這樣的先進技術後，下一步是如何在實際的應用中建置這些工具。PECI以單線序列式匯流排來支援DTS，相對於溫度二極體（Thermal Diodes；TD）來說，這是一個很重要的進步，而且它以與CPU Vtt相同的電壓來操作。CPU中的DTS會透過PECI介面來報告晶片的溫度，或對內部的風扇控制系統提供溫度數值。

要利用PECI和DTS所提供的能力來達到智慧性系統控制，其中一種作法是採用專門支援這些功能的外部晶片。在新的電路中必須使用DTS的輸出來得知CPU的溫度，而非依賴遠端的溫度二極體；PECI通訊技術也得被採用來取代SMBus。本文中將探討一顆外部的晶片如何使用PECI和DTS來達成獨立於晶片組的自動風扇速度控制（fan speed control；FSC）。

外部智慧

由Intel所定義的這一代硬體監控（hardware monitor；HWM）和整合式風扇控制（Integrated Fan Control；IFC）ASIC晶片，請參考(圖一)(a)所示，此晶片具有一個SMBus介面（SMBDAT和SMBCLK）、一個內部溫度二極體，也接受Remote 1和Remote 2介面的輸入來獲得溫度二極體的訊號；此外，它有五個電壓辨識（Voltage identification；VID）接腳。圖一(b)則同樣是一顆整合了HWM和IFC功能的晶片，但它具有使用PECI和DTS的能力。這一代晶片中用於電壓辨識的五支接腳（圖一(a)中的藍色標示），晶片被PECI、Vtt輸入及三組GPIO暫存器所取代。這樣做是因為今日的電壓調整器（voltage regulator）是直接從CPU得到輸入值，來為處理器產生核心電壓，因此VID的功能已不需要了。因此，這三組（GPIO1～3）用不到的接腳能夠提供輸入、輸出、開汲極（open drain）、警示接腳（alarm）、雙向性（bi-directional）、中斷（interrupt）或其他用途。其他的功能則維持不變。

HWM/IFC使用PECI來獲得一個區域中的關鍵性CPU溫度輸入、二個遠端溫度二極體式感測器輸入，再加上一個晶片上的溫度感測器輸入，也就是從總共四組溫度的量測中來控制最多四組風扇。每個風扇皆有一組脈衝寬度調變（pulse width modulation；PWM）控制和轉速計（tachometer）輸入，它們被用在四個獨立的區域中，並用來滿足主機板熱量管理上的所有需求。量測到的溫度可以個別被指定或也可以被合併到一個區域（Zone）中。這個系統的功能特色包括每一次量測中的自動風扇速度演算法、電壓監控、界限檢核（limit checks）和警示狀態等。此晶片使用這些功能來降低風扇噪音的音量。在採用DTS的輸入來取代溫度二極體後，關於本系列二中所提到的噪音干擾、非理想的操作和串聯阻抗（series resistance）等問題已不存在了。此晶片使用PECI介面來得知CPU的溫度，並將數據放在一個暫存器中，就好像數據是從一個二極體的量測中得來。如(圖二)所示，除了PECI的介面外，此晶片還有和SMBus相容的二線數位介面，這和這一代的ASIC晶片作法相似。在這兩種晶片中都有一個10-bit Σ-Δ A-to-D轉換器，它用來量測兩個遠端以二極體連接形式的電晶體溫度，以及晶片內部的溫度。

《圖一　(a) aSC7611具有現今世代的硬體監控和整合式風扇控制功能；(b) aSC7621還能接收PECI輸入，並使用DTS》

圖一(b)的晶片量測系統規範包括針對遠端二極體提供0.25°C溫度解析度（temperature resolution）和±1°C的準確性，以及對本地感測器提供0.25°C的溫度解析度和±3°C的準確性。遠端感測器的溫度量測範圍在–55°C到+125°C之間（使用2的補數編碼方式）。電壓量測具有10位元的解析度和±2％的總不可調整誤差（total unadjusted error；TUE），風扇轉速計則使用90kHz的時脈區段的16位元計算，所有的量測值都有界限警示。

《圖二　硬體監控加上整合式風扇控制的Block Diagram，本圖藍色區域是取代圖一(a)中現有晶片的藍色區域功能》

在風速控制上，ASIC晶片使用一個或三個溫度區域的合併資料來控制三個獨立的PWM輸出，如(圖三)所示。不論是在小於100Hz的低頻範圍或23到30kHz的高頻範圍，PWM的運作都是可選擇的。轉速計輸入最多可量測四組風扇速度。此外，兩組遠端二極體可量測繪圖晶片組溫度、PC電路板上某處的環境溫度或氣流溫度。ASIC也能容易的接收通用的3904電晶體的訊號來得到量測值。所有的量測值會與界限值和狀態暫存器做比較，當任何量測結果超出預設的界限時，就會對系統主機做出警示。這顆晶片使用內部比例電阻來監控VCCP、2.5V、3.3V、5.0V和12V主機板電源的系統電壓。

《圖三　基於PECI和其他輸入來控制四組風扇的外部IC應用示意圖》

為了避免瞬間突波現象（spike transient）和因在電腦中切換元件而產生的噪音等問題，風速控制晶片使用可程式濾波器來處理溫度的讀取。當溫度的量測是發生在對特定溫度區域指派讀取任務之前時，風扇控制器會進行濾波的動作；一旦這個溫度區域的讀取任務真的發生了，在對此溫度區域的風扇下達指派命令前，濾波動作還會再進行一次。(圖四)顯示濾波動作的訊號流過程，其中突波和平滑演算（Spike & Smoothing Algorithm）會先產生一個「無突波」（No Spike）數值，這個數值是根據現在和三個先前的數值而來；在移除最高和最低的數值後，再取得剩下的兩個數值的平均數。在第二階段中，用戶自行定義濾波器和參數值，以決定溫度的平滑數值。

《圖四　用於二極體量測和PECI輸入的可程式突波和平滑濾波器》

風速控制運作

風扇速度控制有兩種操作模式，即自動風扇（Auto Fan）和最大脈寬調變（Maximum PWM）。如(圖五)所示，在自動風扇的模式下，用戶的可程式化項目包括風扇溫度界限（Fan Temp Limit）、範圍（Range）、風扇脈寬調變（Fan PWM），以及對PWM最小值或關閉狀況的選擇。當超出風扇溫度界限時，PWM的工作週期（duty cycle）會隨著溫度的上升或下降而線性的增加或降低。以圖五中的設定為例，當此區域的感測器感測到溫度到達58?C時，風扇將以全速的工作週期進行運轉。如果任一區域超出絕對的界限（absolute limit）時，所有的PWM輸出都被設定為全速的工作週期，以進行最大的散熱工作。

《圖五　在四個區域中的一個區域裏的自動風扇速度控制操作範例》

最大脈寬調變模式將風扇的速度限制在一般運轉條件之下，這樣做的目的是要降低風扇所產生的噪音。用戶可選擇絕對界限和風扇溫度界限外加範圍（Fan Temp Limit?plus Range）的溫度值，可以將其中任一個值設定的比另一個來得高。在(圖六)中顯示Fan Temp Limit?plus Range是較高的溫度設定值，當感測溫度一到達可程式的高溫界限時，PMW的轉速會一下子跳到全速的工作週期。和自動風扇模式相似的是，當溫度高於風扇溫度界限時，PWM的工作週期會隨溫度的上升或下降而線性增加或降低。在這兩種模式中都確保了安全的散熱機制，在噪音的程度上也比上一代採用SMBus控制的架構來得低。

《圖六　絕對界限設定低於風扇溫度界限外加範圍的自動風扇速度控制操作範例》

加入更多的智慧性和功能

在PECI輸入和DTS訊號的幫助下，採用外部晶片可以獲得比過去SMBus和溫度二極體架構更佳的風扇建置與噪音控制程度。雖然在本文中所討論的功能已可做出智慧型風扇，但若再使用系列三中所提到的SST連結，就能再增加更多的智慧性，也就是以取代轉速（tach）和PWM訊號的方式來改善通訊效能。在PECI的延展性基礎下，多顆CPU可以在不增加腳接的情況下連到相同的匯流排。這兩種先進功能的整合為新的散熱和噪音控制功能打開了一扇大門。（作者為Andigilog產品應用工程師）