CN1609817A - 监控PCI Express板卡的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监控PCI Express板卡的方法及其装置；涉及电脑中总线扩展及其芯片的应用。本方法是扩展SMBus，在PCI Express板卡上使用SMBus芯片，测量器件的参数如风扇转速、温度，以温度作反馈信号输入芯片，由芯片内部运算和控制输出，经放大驱动风扇，构成闭环。本装置由PCI Express板上监控芯片、温度传感器、放大驱动电路、风扇、电源、转速测量匹配电路和SMBus等构成。本发明的有益效果是：组成可监控PCI Express板卡，用于测量和控制板上风扇转速，降低噪声，环保节能，通过SMBus与电脑主机通信，有助于管理电脑系统设备。
Description
技术领域
本发明涉及电脑中串行总线及其器件的扩展和应用，具体地说，涉及一种在PCI Express板卡上用系统管理总线(也称SMBus)集成电路(IC)芯片监控器件的方法及其装置。
背景技术
PCI Express总线PCI Express是新一代的总线接口。英特尔公司提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的多家业界公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成。PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，PCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8、X16以及X32(X2模式将用于内部接口而非插槽模式)。较短的PCI Express卡可以插入较长的PCI Express插槽中使用。PCI Express接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express接口支持SMBus2.0规范。PCI Express卡支持的三种电压分别为+3.3V、3.3Vaux以及+12V。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提供约为4GB/s左右的实际带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。其实PCI Express最大的意义并不在于高性能的特点，而是它的通用性。由于它通用的模式，还有PCI Express由于只是南桥的扩展总线，它与操作系统无关，所以也保证了它与原有PCI的兼容性，也给用户的升级带来了方便。不仅可以让它用于南桥和其他设备的连接，也可以延伸到芯片组间的连接，甚至也可以用于连接图形芯片。这样整个PC的I/O系统将重新统一起来，将更进一步的简化PC系统，增加PC的可移植性和模块化。
电脑硬件监控电路 现在电脑的结构和运行状况越来越复杂，因此大多数电脑都装有监测电路的芯片，可实时地监测电脑主机的运行状况如各种电压、温度、风扇转速等，硬件监控芯片(例如W83L785、LM87、LM63)通常为可编程器件，具有硬件A/D转换和I/O接口，并且芯片具有SMBus。CPU和集成电路的主频和集成度在不断提高，因此会产生大量的热量，使电脑CPU和PCI上器件的温度上升，通常使用风扇来通风散热，需要监控CPU温度，在这些监控电路中广泛应用了脉冲宽度调制(PWM)和自动控制技术，电脑运行过程中监控电路会根据被测元件的温度信号自动调节风扇转速，硬件监控电路会根据设定温度控制风扇转动，给CPU散热，温度下降时，风扇转速自动降低，温度上升时，风速转速自动上升，这样降低了风扇噪声，节约了电量使用，延长了风扇寿命，可保证电脑系统有效工作。
系统管理总线(SMBus)是Intel提出的芯片间串行通信总线，包含一根数据线SDA和一根时钟线SCL，工作时2根线必须用上拉电阻接至电源上。每个总线器件都有一个地址，总线长度可达8米以上，可以方便地构成多机系统和外围器件的扩展，并且能够以100Kbps的速率全双工同步数据传输。SMBus的一个优点是，它支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控制器，而且总线接口都已集成在器件中，不需要另加总线接口电路，有即插即用(Plug and play)的特点。所有带SMBus接口的外围器件都具有应答功能，在电脑中有广泛应用：Intel的南桥系列芯片ICH3、ICH4、ICH5、ICH6(I/O Controller HUB 6)，或与Intel之产品兼容的南桥芯片VIA8233，AMD768等，均可以用串行SMBus的方式与其它设备进行通信。上面所述电脑硬件监控电路的芯片即是SMBus上的外部设备。在几乎每台Intel电脑和兼容电脑都具备SMBus功能，很多电脑主板上提供了SMBus接口如PCI Express插槽中，供用户连接外设。
I2C总线 由Philips开发的I2C(I2C)总线具有标准的规范以及众多带I2C接口的外围器件，形成了完善的串行扩展总线，I2C的特点是结构的独立性和用户使用的简便性。I2C总线有严格的规范，如接口的电气特性、信号时序、总线管理规则等，而SMBus是I2C总线/协议的一个子集(subset)，很多I2C总线器件兼容SMBus，可直接在电脑系统的SMBus上使用，具体见各器件说明。
虽然现有技术已有了上述的种种发展，但是现在对电脑中设备的监控仅限于在电脑主板上的监控电路，新推出的PCI Express板卡亦需配合监控装置，监控PCI Express板卡上芯片工作状态、监控PCI Express板卡上高发热芯片冷却风扇工作情况，调节PCI Express板卡上风扇转速，让PCI Express板卡上器件温度的高低与风扇转速相关，根据温度高低自动调节风扇速度，可以减少噪音，节约电能，延长风扇使用周期。
发明内容
本发明的目的就是针对新技术的出现，提供一种用SMBus芯片监控电脑PCIExpress板卡上器件的方法及其装置，解决电脑PCI Express板上器件的温度、风扇转速和电压测量等问题，进而根据其温度高低自动调节PCI Express板卡上风扇转速，并且通过SMBus通信。
本发明的目的是这样实现的：
1、方法
由图1可知，本方法有下列步骤：
①在具有ICH南桥芯片主器件节点的SMBus上，增加总线外围器件节点，通过PCI Express板卡插槽的SMBus连接到PCI Express板上具有SMBus接口的芯片，每个PCI Express板卡插槽的SMBus接口均可连接具有SMBus接口的芯片，该芯片具有测量温度、电压、风扇转速和控制风扇转速的功能，在PCI Express板卡上使用该芯片测量PCI Express板卡上设备和器件的温度、电压、风扇转速参数，同时控制风扇速度，通过SMBus与电脑主机上的SMBus设备通信；
②使用SMBus芯片内置的控制功能，用温度传感器测量PCI Express板卡上设备和器件的温度，以温度作反馈信号输入芯片，由芯片运算输出，经放大驱动电路，控制风扇转速，构成闭环控制系统；
③用PCI Express板卡上SMBus芯片通过SMBus与电脑主设备通信
按本方法在SMBus总线上使用的芯片，可以为一种能与SMBus兼容的带I2C(I2C)总线接口芯片。
2、装置
由图2可知，本装置由具有SMBus接口的芯片(1)、温度传感器(2)、放大驱动电路(3)、风扇(4)、电源(5)、转速测量匹配电路(6)、分压电路(7)、SMBus(8)及紧固件和散热片(9)组成组成；
芯片(1)分别与温度传感器(2)、放大驱动电路(3)、转速测量匹配电路(6)、分压电路(7)和SMBus(8)总线连接；
风扇(4)分别与放大驱动电路(3)、转速测量匹配电路(6)连接；
电源(5)分别与芯片(1)、放大驱动电路(3)连接；
装置的工作电源使用PCI Express板上的既成直流电源。
PCI Express板上监控芯片(1)的转速测量输入端和风扇(4)转速信号输出之间连接有转速测量匹配电路(6)。
在PCI Express板上SMBus芯片(1)的电压测量输入端连接有分压电路(7)。
温度传感器(2)使用半导体传感器或热敏电阻；温度传感器(2)置于发热器件上或之中或附近。
SMBus(8)的数据线SDA和时钟线SCL与PCI Express插槽连接。
装置中风扇(4)的机械部分连接紧固件和散热片(9)，紧固件和散热片(9)与PCI Express板之间是发热IC器件，通常为图形处理器芯片(GPU)。同一电脑的不同PCI Express板卡上可以至少拥有一个该装置。
本装置所述芯片(1)可以为一种能与SMBus(8)兼容的I2C(I2C)总线芯片。
本装置的工作原理是：
在电脑PCI Express板上的发热器件上或之中或附近安装有温度传感器(2)，温度传感器(2)的输出端连接到芯片(1)的温度测量端口。发热器件通常是GPU芯片。
放大驱动电路(3)的输入端连接到芯片(1)的转速控制输出端口，放大驱动电路(3)的输出控制风扇(4)的工作电源——调节转速，该电源常用PCI Express板上的+12V。也可以为其它电压等级。而监控电路与电脑主机上的ICH芯片的工作电源共地，以保证SMBus(8)的可靠工作
风扇(4)转动产生的脉冲，通过转速测量匹配电路(6)连接到芯片(1)的风扇转速测量端口，由芯片(1)完成转速计数。
PCI Express板上监控电路还有连接线，通过分压电路(7)连接到芯片(1)的电压测量端口，在芯片(1)内完成A/D转换运算，能够用于测量PCI Express板上的电压。
电脑的SMBus(8)连接到的PCI Express插槽，从PCI Express插槽连接到南桥芯片，用于发送和接受数据。
装置中散热片将发热器件的热量传导出来，风扇(4)冷却散热片，紧固件连接PCI Express板卡起固定作用。
3、本发明具有以下优点和积极效果。
①因为是用SMBus芯片监控电脑PCI Express板上器件，其方法和装置简单易行。
②组成PCI Express板监测系统后，可以测量板上器件的工作电压和温度，可调节板上风扇转速，降低噪声，环保节能，并且通过SMBus(8)与电脑主机通信，有助于管理PCI Express板上设备。
③性能价格比高，有广阔的应用前景。
附图说明
图1-电脑PCI Express板卡扩展SMBus示意图；
图2-本装置组成方框图；
图3-实施例1的装置电路原理图；
图4-实施例2的装置电路原理图；
图2中：
1-PCI Express板上SMBus芯片；
2-温度传感器；
3-放大驱动电路；
4-风扇；
5-电源；
6-转速测量匹配电路；
7-分压电路；
8-SMBus。
9-紧固件和散热片
具体实施方案
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
Intel系列电脑(PC、服务器、工作站)及其兼容产品的主板上都集成有南桥芯片，南桥芯片内部提供了SMBus主控器，以ICH6(82801FB)为例，ICH6内部提供了一个SMBus主控器，它包括一个SMBus主控接口，为处理器与SMBus外部设备(从设备)通讯提供了条件，只有主控制器才能对SMBus实现管理与检测，如起始、停止、发送时钟等，作为不带CPU的接口器件，在总线中只能作从器件使用，所有读、写操作都可归纳为SMBus的主方式，写操作为主发送方式，读操作为主接受方式。上述ICH6的SMBus操作方式兼容多数I2C总线器件。SMBus接口器件有一个7位地址，可以扩展多个总线器件，本发明使用PCI Express板卡上SMBus芯片作为总线从设备。
在PCI Express插槽上提供了SMBCLK、SMBDAT，即SMBus的时钟线和数据线。
下面实施例1和实施例2电路都使用了带SMBus的芯片，这些芯片常用于电脑主机板硬件监控电路，如CPU温度监测和CPU风扇的转速控制，其使用方法和电路在芯片说明书中有详尽论述，这里应用到电脑PCI Express板上器件的监控电路上来，主要不同是将温度监测对象改为PCI Express板上的发热器件，被控风扇变为PCI Express板上器件冷却的风扇，而SMBus芯片的监控和通信作用不变。
实施例1
如图3，本例中使用PCI Express X16插槽上具有的SMBus接口，从其上连接SMBCLK和SMBDAT到PCI Express板上SMBus芯片，即连接LM63的7脚和8脚，装置中使用LM63芯片作监控芯片，这里LM63是SMBus上的一个从设备，LM63的器件地址是1001100，LM63的主要功能如下：
·使用2N3904晶体管或PN结测温，D+、D-端输入
·自动修正自热效应
·支持P4或P4-m处理器的内置2极管测温方式
·集成PWM风扇转速控制功能，PWM端输出
·可编程多级变速调节，减少噪声
·具有风扇转速计数，TACH端输入
·寄存器补偿失调温度
·多功能反ALERT/转速计数选择输入
·10位数字计数，温度最小分辨0.125度
·SMBus2.0规格，支持超时溢出TIMEOUT
·兼容LM86系列器件
·精简的8脚设计
详见参考文献4
这里LM63监控芯片的工作电源使用3.3V电压，电源来源板上既成电源，在LM63的D+和D-端子上接入2N3904，将2N3904作传感器装设在PCI Express板的器件上，感受器件的温度，在LM63中完成A/D转换，从LM63的4脚输出PWM信号，经R1、R2、Q1组成放大电路，驱动风扇，风扇的转速测量经R3、R4、R5组成的匹配电路，从LM63的6脚输入转速计数脉冲，这样根据PCI Express板上的器件发热部件的温度变化，所述器件组成的温度自动调节系统会降低或升高风扇的转速，相关控制算法在LM63中进行，通过LM63的7脚和8脚，SMBus能够收发数据。电路中风扇使用+12电源。器件可以是发热量较大的GPU芯片。本装置的电路置于电脑PCI Express板上。装置中散热片将发热器件的热量传导出来，由风扇(4)冷却散热片，紧固件连接PCI Express板卡起固定作用。
实施例2.
发明电路原理部分如图4，本例中使用电脑PCI Express X16插槽，在PCIExpress X16插槽上具有SMBus扩展接口，从PCI Express插槽的SMBus上引SMBDATA和SMBCLK到电脑PCI Express X16板设备监控电路，连接SMBus芯片，至IC W83L785的SCL和SDA。在PCI Express X16设备监控电路中使用的W83L785常用于笔记本电脑的硬件监控电路，W83L785的器件地址是0101101，它可监测参数包括：电压、温度、风扇转速等，内置8位ADC，提供2组PWM输出控制风扇转速，提供SMI#、OUT#信号和GPIO，带I2C/兼容SMBus接口，通过应用软件和BIOS，用户能够随时监控全部参数，并当参数越限时发出警告信息，用户可以自行设置参数的高、低限值。
W83L785的主要功能如下：
·2个温度测量通道，VTIN1、VTIN2，支持半导体和热敏电阻传感器
·4个电压测量通道，3.3V、2.5V、1.5V、Vcore
·2组PWM风扇转速控制输出，PWMOUT1、PWMOUT2
·2组风扇转速计数输入，FANIN1、FANIN2
·可编程设置参数越限区间
·支持应用软件管理
·I2C串行总线接口，SCL、SDA
·支持Intel应用程序LMCD
·有中断保护信号
·20脚封装
·工作电源2.7V～5.5V
详见参考文献3。
图4中用W83L785监测PCI Express板上器件的工作情况，在2.5V测量的输入端接有电阻R6、R7构成分压电路，使之匹配芯片的输入电压量程，同样也可使用该芯片其它电压测量端监测电压，担负PCI Express板上硬件监控的任务。图5中D1和D2用于温度测量，从VTIN1和VTIN2输入信号。用PWM控制风扇转动，风扇的转速可以测量，用R3、R4、R5组成转速信号测量匹配电路，R10、R11是上拉电阻(如果主机有则不用)。显然这里也容易移植电脑硬件监控电路的风扇温度自动控制系统，用D1温度传感器、PWMOUT1输出驱动Q，应用芯片的控制功能构成闭环系统，相关控制算法在W83L785中进行。本电路使用电脑PCI Express板上+3.3V电源。本装置的电路置于电脑的PCI Express X16板上。同样，装置中散热片将发热器件IC芯片的热量传导出来，由风扇(4)冷却散热片，紧固件连接PCI Express板卡起固定作用。
参考文献
1、
http：//www.pcisig.com
2、何立民，《I2C总线应用系统设计》，北京航空航天大学出版社
3、W83L785.pdf，
http：//www.winbond.com/
4、LM63.pdf，
http：//www.national.com/
5、
http：//www.intel.com/
6、
http：www.smbus.org/
Claims (10)
1、一种监控PCI Express板卡的方法，
其特征在于有下列步骤：
①在具有ICH南桥芯片主器件节点的SMBus上，增加总线外围器件节点，将电脑主机板上PCI Express总线中的SMBus扩展，通过PCI Express插槽连接到PCI Express板上，在PCI Express板上以SMBus芯片为核心组成监控电路，用该芯片组成的监控电路具有测量温度、风扇转速及控制风扇转速的功能，用该监控电路测量PCI Express板卡上器件的温度、风扇转速参数；
②使用PCI Express板上SMBus芯片内置的控制功能，用传感器测量PCIExpress板上器件的温度，以温度作反馈信号输入芯片，由监控电路芯片运算输出，经放大驱动，控制风扇转速构成闭环；
③用PCI Express板上SMBus芯片通过SMBus与电脑主设备通信。
2、一种监控PCI Express板卡的装置，
其特征在于：本装置由电脑PCI Express板上SMBus芯片(1)、温度传感器(2)、放大驱动电路(3)、风扇(4)、电源(5)、SMBus(8)、紧固件和散热片(9)组成；
PCI Express板上SMBus芯片(1)分别与温度传感器(2)、放大驱动电路(3)和SMBus(8)连接；
风扇(4)的电气部分与放大驱动电路(3)连接；
风扇(4)通过紧固件和散热片(9)安装在PCI Express板卡上。
电源(5)分别与PCI Express板上SMBus芯片(1)、放大驱动电路(3)连接。
3、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：PCI Express板上监控芯片(1)的转速测量输入端和风扇(4)转速信号输出之间连接有转速测量匹配电路(6)。
4、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：在PCI Express板上SMBus芯片(1)的电压测量输入端连接有分压电路(7)。
5、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：温度传感器(2)或为半导体传感器，或为热敏电阻；温度传感器(2)置于发热器件上或之中或附近。
6、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：工作电源(5)从PCI Express板上获取，工作电源(5)供给监控芯片(1)工作电源和风扇(4)驱动电源。
7、按权利要求或1或2所述的任一种监控PCI Express板卡的方法或装置，其特征在于：
在SMBus(8)上使用的芯片，为一种能与SMBus(8)兼容的I2C(I2C)总线芯片。
8、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：SMBus(8)的数据线SDA和时钟线SCL与PCI Express插槽连接，
9、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：同一电脑的不同PCI Express板卡上可以至少拥有一个该装置。
10、按权利要求2所述的一种监控PCI Express板卡的装置，其特征在于：紧固件和散热片(9)与PCI Express板之间是图形处理器IC芯片(GPU)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |