CPUFinal.docx
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CPUFinal
CPU线路设计问题
1.CPU有几种电压,为何需要这几种电压,CPU的电压有那些变化?
透过那些PIN来决定?
答：
CPU主要有Vcore（即Vcc），Vccp和VccA，另外还有一些有专门用途的电压，如：
VccQ，Vcc_sense,VinAGTL,VinAsynch，CMOS等。
Vcore主要是加在CPU内核的电压，用来提供CPU内部逻辑运算单元和执行单元等部件作数据处理工作所需要的电能；Vccp主要是加在CPU外围及I/O电路上的电压，用来提供负责CPU与外界数据通信I/O、温度侦测过热保护、电源管理等电路工作所需的电能；VccQ，Vcc_sense为内部补偿电压；VccA主要提供内部PLL所使用的电压。
CPU的电压Vcore会根据终端用户对系统的使用状况进行调整，以达到节省电能的目的。
主要透过VID[5:
0]这6根PIN的High/Low状态组合来决定CPU的电压,理论上可以组合出0.700V到1.708V共64种电压。
2.画出CPU的POWERSEQUENCE.
答：
3.CPU的电容颗数容量如何决定?
何谓ESR?
答：
为了解决CPU大负荷工作有时候需瞬间提供大电流的问题，必须在VCCcore周围平均地分布一些电容来达到储能的目的，CPU的电容颗数的决定可以参考Intel的DesignGuide；DesignGuide会根据CPU情况确定需要用多大的电容理论总值，我们需要根据实际情况选用一定数量的小值电容，且要平均分配到每个电源Pin，另外还要选用一到两颗470U的大值电容以滤除噪声，使电源比较干净稳定。
当然还要参考PCB的板层和走线方式所产生的等效电容。
一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感─这就是容抗的基础。
ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电子元器件都强调“LOWESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。
那么，我们如何正确理解LOWESR的实际意义呢？
由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如现在INTEL、AMD的CPU，电压均小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。
但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了。
例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。
那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。
而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。
在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷）。
此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。
例如对于3.3V的CPU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对于1.8V的CPU而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。
但这里要注意的是ESR并不是越低越好，低ESR电容会引起开关电路振荡。
而消振电路复杂同时会导致成本的增加。
板卡设计中，这里一般有一个参考值，此作为组件选用参数，避免消振电路而导致成本的增加。
一般来说，我们采用多颗电容并联来达到所需的电容值，而它们总的ESR又会比较小，由此造成的能量损耗便可以大大减小。
Intel给的建议是：
如果是低频，用4颗220uF的电容并联，ESR=12mohm；如果是中频，用35颗10uF的电容并联，ESR=5mohm。
下图为ZL2的VCC_core滤波电路：
4.CPU有那些PIN跟温度有关?
系统可以透过那几种方式来防止CPU温度过高?
CPU本身提供那几种机制?
答：
在CPU中跟温度有关的PIN是THERMDA,THERMDC,THERMTRIP#和CPU_PROCHOT#。
系统用来防止CPU温度过高的方式包括componentlevelthermalsolutions和systemlevelthermalmanagement。
前者包含贴于处理器中心Die上的heatsinks或
heatexchangers。
在使用这种方法散热时必须保证其与处理器Die之间严格接触。
后者主要应用风扇来对处理器进行散热，并且要求风扇能够输出转速信号，以实现对风扇的监控，防止因风扇停转而导致CPU过热的情况发生。
由于CPU所产生的热量因工作负荷变化而有很大变化，因此也要求风扇转速按需要自动调节，以降低不必要的能源消耗和噪音污染。
CPU本身对温度的监控主要有两种方法：
TheIntelThermalMonitorandTheThermalDiode。
前一种机制主要是在微处理器内部集成了温度控制电路（ThermalControlCircuit，TCC），由微处理器自身执行温度控制功能。
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（WarningTemperature）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”（ThrottledutyCycle）的方式，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。
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（thermalTrip），TCC将设THERMTRIP#信号为低电平，THERMTRIP#连到南桥，南桥会根据BIOS的设定来动作，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。
所以，“当微处理器离开风扇的时候”，也能够安然无恙。
另一种方法是在微处理器内设置ThermalDiode，其阴极和阳极分别通过THERMDC和THERMDA两根信号连于主板的Thermalsensor上。
由thermalsensor检测CPU核心温度并结合EC，风扇等采取相应的措施来降低CPU温度。
5.THERMALSENSOR的工作原理?
如何跟EC搭配来防止CPU温度过高?
答：
我们一般用的SENSORIC是MAX6657/MAX6658，在NoteBook中的典型应用如上题中的图所示，它的FunctionalDiagram如下图所示：
THERMALSENSOR利用DXN和DXP来侦测微处理器核心温度信号，并在IC内部模数转换，转换出的值（一般为8位）和内部寄存器中存放的阈值进行比较，并通过SMBus（SMDATAandSMCLK）将温度信息传送至EC，EC中的KeybordBIOS会进行显示，同时将来自系统的监控信号经过EC发送给thermalsensor。
现在一些主板的BIOS中也可以让用户来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℃。
这里的警戒温度就是由-ALT信号来控制。
MAX6657内部安排4个Registers用来存储-ALT信号的阈值----一个Hightemperature（Thigh）和一个Lowtemperature（Tlow）。
缺省状态的-ALTThigh为01000110即70℃，-ALTTlow为11001001，55℃。
如果检测到的温度值等于或超出相应的-ALT阈值，-ALT信号将被置为有效（拉低）。
EC接到警告信号时会发一个ReceiveBytetransmission，表示已经收到警告，这是Thermalsensor才会重置-ALT.
-OVT一般可以接到Fans，asystemshutdown，或者其它thermalmanagement电路。
Thermalsensor内部也有两个registers用来存储-OVT警告阈值电压，缺省值为01010101，+85oC。
当检测到的CPU温度超过这个值时，-OVT信号将被拉低，控制系统做相应的处理来降低CPU温度。
6.透过SMBUS可以改变SENSORIC里的那些东西?
答：
Thermalsensor中包含一系列的8-bitregisters，这些registers主要用来存储温度信息，警戒温度阈值和一些控制位。
通过SMBus可以改变controlbits和警戒温度阈值（-ALT和-OVT阈值）。
下图即是SENSORIC里面可以通过SMBUS更改设置的命令。
7.JITP是什么?
什么时候要用到JITP?
答：
JITP即是JustificationIn-targetProbe；对于那些BGA封装的CHIP，一旦打在主机板上，便不可能对其进行DEBUG了，所以就预先将其的TESTPinlayout到CHIP外面，做成测试点，便可以在Issue出现时作DEBUG用了。
但JITP主要是用于CPU,并不是BGA的chip就要JITP,因为CPU是根据BIOScode逐步执行,透过80portdebugcard,我们可以看到CPU执行code的状态,而JITP比80port还强大,直接从CPU接讯号到外部的ICE译码,就可以完全掌握CPU执行的每一道指令。
8.ADS#的功能是什么?
答：
当ADS#（AddressStrobe）为逻辑0，即有效时，表示总线周期指示码（M/IO、D/C、W/R）、字节允许信号，及地址信号，全为稳定状态。
ADS#信号通常是提供给外部总线控制逻辑电路，表明总线周期指示码、字节允许及地址信号是否有效。
如果抓到的ADS＃信号波形正常，通常可以确认FSB上的传输正常。
9.何谓CPU的外频?
何谓内频?
跟我们供给CPU的CLOCK频率有何关系?
如果CPU的外频为400MHZ,我们需要给400MHZ的CLOCK吗?
HDSTB0-HDSTB3这几根PIN跟这些频率有何关系?
答：
外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz（兆赫兹）。
在早期的电脑中，内存与主板之间的同步运行的速度等于外频，在这种方式下，可以理解为CPU外频直接与内存相连通，实现两者间的同步运行状态。
对于目前的计算机系统来说，两者完全可以不相同，但是外频的意义仍然存在，计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘以一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。
内频就是CPU的时钟频率；倍频即内频与外频之比的倍数，它们之间的对应关系可用公式表示为:
外频X倍频＝内频。
外频与前端总线（FSB）频率很容易被混为一谈。
前端总线的速度指的是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。
而外频的概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的，也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一万万次，它更多的影响了PCI及其它总线的频率。
之所以前端总线与外频这两个概念容易混淆，主要的原因是在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium4出现之前和刚出现Pentium4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频，最终造成这样的误会。
随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（QuadDateRate）技术，或者其它类似的技术实现这个目的，这些技术的原理类似于AGP的2X或者4X，它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高。
现在我们提供给CPU的CLOCK频率一般来说有：
100MHz，133MHz，200MHz，前端总线频率则为400MHz，533MHz，800MHz。
HDSTB0-HDSTB3这几根PIN直接连到北桥芯片，是用来控制前端总线的频率，使数据读取的速率变为CLK频率的2倍或者4倍，下边是其中一组信号的示意图，它共有4组信号。
10.CPU有几种电源STATE?
不同的STATE和STPCLK#,DPSLP#,DPRSLP#等讯号有何关系?
答：
CPU有Normal,AutoHALTPowerdown,Stop-Grant,HALT/GrantSnoop,Sleep,DeepSleep和DeeperSleepState；
●NormalState：
normaloperatingstatefortheprocessor;
●AutoHALTPowerdownState:
当处理器执行HALT指令时，进入AutoHALT状态。
在此状态下，处理器负责处理bussnoops和中断；
●StopGrantState：
当STPCLK＃被置为有效时，CPU进入StopGrantState。
在此状态下，CPU负责处理FSB上的snoops并且latchFSB上的中断。
●HALT/GRANTSnoopState:
当处理器侦测到FSB上有snoop，将进入HALT/GRANTSnoopState并且一直保持这种状态直到snoop被处理或者中断被latch。
●SleepState：
在StopGrantState状态时，如果SLP＃被置有效，CPU将进入SleepState。
该状态是一个lowpowerstate，CPU停止所有内部时钟，维持其内容以及PLL，不负责处理snoop或latch中断，不允许信号的宣称（SLP#,DPSLP#,RESET#除外）或传输。
●DeepSleepState：
当DPSLP＃被置有效时，CPU进入一个更低功耗的状态---DeepSleepState。
此状态下BCLK信号也被停止。
●DeeperSleepState：
处理器能进入的最低功耗的状态，功能上和DeepSleepState相同，只是处理器的corevoltage更低一些。
各状态和信号之间的关系如下图所示：
11.CPU的内频可以改变,是透过SOFTWARE还是HARDWARE?
什么时候内频会产生变化?
当我们读出CPU频率不对时可能原因为何?
答：
内频主要是透过software来改变,现在的CPU有多段速,OS会根据目前系统的loading以及从BIOS得知CPU的capability，然后下指令给CPU做动态内频的调整.外频不正确会导致内频跟着不正确,内频不正确CPU运作可能会不稳定,所以一般我们不会透过调整外频去改变内频.如果CPU的频率读出不正确时,Hardware只要确定外频是正确的即可,剩下的是BIOS的问题.
12.COMPPIN用来做什么?
什么时候会调整这些阻值?
或这些阻值放错对系统会产生什么影响?
答：
COMPPIN是补偿电路的Pin，一般是通过下拉电阻接地，给CPU内的模拟电路部分提供补偿电流；因为补偿电路需要比较精确的补偿值，所以COMPPIN的下拉电阻必须是精密电阻，一般来说DesignGuide会给出一个理论值，我们只要照做就不会有问题，如果有个别偏差的情况，这时候就需要改变阻值，调整到一个比较理想的补偿值就可以了；如果阻值放错，补偿电流的值与DesignGuide不符，可能导致系统工作不正常。
13.GTLREF用来做什么?
分压分错会有什么影响?
为什么要用1%的精密电阻?
答：
GTLREF用来给CPU作高低电平的参考电压；GTLREF一般为2/3VCCP。
如下图所示，VCCP一般为1.05V，由一个1K和一个2K的电阻分压得GTLREF的电压大概为0.7V左右，因为CPU普遍采用低工作电压技术，以高于GTLREF电压200mV作为高电平，以低于GTLREF电压200mV作为低电平，细微的电压变化都会引起高低电平跳变，故使用1%的精密电阻。
而且一旦分压分错，高低电平的判断就会出现问题，会导致CPU无法正常工作；
14.VCCA什么时候是1.5V,什么时候是1.8V?
答：
VCCA是为PLL（PhaseLockLoop）锁相环提供的电源。
现在使用Dothan的CPU都是用1.5V的电压,线路里预留两种电压,只是为了可以同时支持两种CPU,比较新的机种只支持Dothan,就不再需要1,8V电压。
由于PLL是模拟信号，所以对电压的要求比数字信号更高。
在下图中我们就可以看到，在VCCA的旁边并联了两个0.01u和10u的电容，它们的作用就是对电路起到更好的滤波，使电压的抖动尽量小。
15.BSEL0,BSEL1的作用?
答：
BSEL0，BSEL1的作用是选择CPU的CLOCK输入频率（即外频），他们一般是从CPU连到ClockGenerator和北桥。
在支持不同外频的CPU中它们会有不同的设置，当它们是H，L时，表示CPU外频为100MHz；当它们是L，L时，表示CPU外频为133MHz。
如下表所示：
BSEL1
BSEL0
BCLKfrequency
L
H
100MHz
L
L
133MHz
H
L
RESERVED
H
H
RESERVED
16.从开机到进WINDOWS,CPU会有几种电压变化?
答：
开机以后，CPU电压第一次变化是在EC向MAX1907发送VRON信号时。
这时Vcc_core的电压是由（B0－B2）这三根PIN来设定的，如上面ZL2的电路图所示，Vcc_core的第一次电压变化就是从0V变为1.212V。
与此同时，Vccp和Vcc_MCH等和CPU有关的电压也都起来（如下图所示），Vcc_MCH起来以后，发出MCH_PWRGD信号，CPU此时才发出自己的VID值（每一颗CPU都有固定的VID值），此时CPU电压产生第二次变化，Vcc_core变为和VID对应的一个值。
VID与Vcc_core对应关系见下表：
VIDvs.Vcc_coreVoltage
17.CPU电压变化不正常时跟那几个PIN会有关系?
画出时序图.如何判别是HARDWARE的问题还是SOFTWARE的问题?
SOFTWARE在这里扮演什么角色?
答：
由于CPU电压由VID[5:
0]这6根Pin决定，当CPU电压变化不正常时，首先应当去查这几根pin的值，再根据测出的值对应VIDvs.Vcc_core表格去查CPU理论电压和实际电压是否相符。
另外用示波器抓CPU电压时要看Vcc_core是否稳定，上冲下冲是否在规定范围之内，然后查看产生Vcc_core的电路，确认电容电阻选用是否得当等，确认H/W没有问题时再去检查S/W的问题。
CPU的上电时序图如下所示：
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