Jak wybierana jest częstotliwość?

Nie jestem specjalistą w dziedzinie elektroniki. Jestem tylko programistą. Zadaję to pytanie dla zabawy.

Moje pytanie: jak wybierana jest częstotliwość projektowania obwodu cyfrowego?

Czy częstotliwość jest wybierana „przed” przed wykonaniem rzeczywistego projektu, jako „ostatni wybór” po zaprojektowaniu obwodu, czy też „w środku”, dostosowując go kilka razy podczas projektowania?

Co jeśli okaże się, że różne części dużego obwodu wymagają różnych optymalnych częstotliwości? Czy nie jest to powód do przeprojektowania niektórych części obwodu?

Czy mógłbyś opisać etapy wyboru częstotliwości podczas projektowania?

Jak to się stało, że wiele procesorów z serii „Core” miało mniejszą częstotliwość niż Pentium-4 o rzeczywiście większej prędkości?

Słyszałem również, że mniejsza częstotliwość prowadzi do mniejszego zużycia energii. Ale czy Core CPU nie ma mniejszej częstotliwości i nie ma mniejszej liczby bramek logicznych zmieniających swój stan na sekundę? Czy liczba bramek zmieniających ich stan nie jest czynnikiem decydującym o zużyciu energii?

I. Przez większość czasu układ wykorzystuje różne częstotliwości dla różnych części układu. Teraz nawet najbardziej podstawowe mikrokontrolery za 0,5 $ mają dość skomplikowany schemat taktowania (przynajmniej zasługuje na osobny rozdział w arkuszu danych). Częstotliwość zegara będzie więc wybierana według bloków według bloków.

II. Na jakim etapie wybiera się częstotliwość projektową:

a) Twierdziłbym, że przez większość czasu jest na wczesnym etapie. Dostajemy wymagania (przykład: trzeba dekodować wideo HD). Na tej podstawie wybrałby architekturę uwzględniającą kompromisy w zakresie mocy / technologii / kosztu (obszaru). Jednym z wyników decyzji o architekturze jest częstotliwość zegara.

b) Ale czasami wczesna decyzja jest nieoptymalna / błędna. Wprowadzane są więc modyfikacje. Może to być jednak kosztowne, ponieważ zwykle różne części układu są projektowane równolegle. Zmiana jednego zegara może spowodować przeprojektowanie innego bloku (z powodu samego interfejsu i samego źródła zegara). Powiedziałbym, że z tego powodu unika się tego. Oczywiście niektórym blokom łatwiej jest zmienić częstotliwość taktowania niż innym, więc „twój przebieg może się różnić”.

c) Na ostatnim etapie miejsca i trasy (jest to jeden z ostatnich etapów przed wysłaniem mikroukładu do fabryki) czasami można mieć problemy z zamknięciem budżetu czasowego / energetycznego (tj. podjęcie pracy projektowej przy docelowej częstotliwości / mocy), więc decyzja jest podejmowana wykonane w celu obniżenia częstotliwości zegara. Jest to zdecydowanie unikane, ponieważ oznacza to niespełnienie niektórych specyfikacji marketingowych. Ale czasami mądrzej jest być szybszym na rynku niż przeprojektowywać, co na tym etapie będzie naprawdę kosztowne i czasochłonne.

Ale jest więcej:

d) Czasami decyzja o częstotliwości taktowania jest podejmowana po wytworzeniu (jeśli pewne postanowienia w projekcie zostaną wcześniej podjęte). Ze względu na zmienność produkcji niektóre układy scalone są lepsze niż inne. Niż można wykonać binowanie - posortuj układy scalone na podstawie maksymalnej częstotliwości, które mogą działać niezawodnie i sprzedawać je szybciej. Powiedziałbym, że jest to najczęściej używane przez sprzedawców procesorów PC.

e) Czasami gotowe układy są przetaktowywane w końcowym urządzeniu w celu oszczędzania energii (popularnej w uC), jeśli wymagana moc przetwarzania jest niższa niż maksymalna dozwolona z układu.

f) W niektórych nowoczesnych projektach zegar można regulować dynamicznie. Następnie zegar zmienia się w polu w zależności od obciążenia w celu oszczędzania energii.

III. Zatem, w jaki sposób wybierana jest częstotliwość i dlaczego czasami projektowanie przy niższym zegarze będzie miało większe możliwości przetwarzania:

Och, chłopcze, jest tak wiele zmiennych, więc jest to dyscyplina inżynierska sama w sobie. Uwzględniasz wymagania marketingowe, technologię, koszt, EMI, moc, obsługiwany standard, wymagania IO itp. Itd ...

Ale w zasadzie można to ogłuszyć do następnych - w celu osiągnięcia określonej wydajności można mieć szybszy zegar (robić rzeczy w szeregu jeden po drugim) lub robić rzeczy równolegle przy niższym zegarze, kosztem używania większej liczby tranzystorów. Z powodu niektórych czynników - głównie opóźnienia utknięcia rurociągu / pamięci, czasem lepiej jest użyć więcej tranzystora niż szybszego zegara.

Na wbudowanej arenie często wybiera się określoną częstotliwość ze względu na ograniczenia w urządzeniach peryferyjnych mikrokontrolera. Na przykład można zastosować kryształ 1,8432 MHz (lub wielokrotność tej częstotliwości, na przykład 18,432 MHz), ponieważ ta częstotliwość podstawowa podzielona przez 16 daje w wyniku szybkość UART wynoszącą 115 200 bodów. Częstotliwość 32768 Hz jest często stosowana w aplikacjach mikrokontrolerów o niskiej mocy, ponieważ można ją łatwo podzielić na 1 Hz w celu zachowania czasu.

Oto lista różnych częstotliwości kryształów i ich przyczyny. Te z listy „Zegar UART” są często wybierane do mikrokontrolerów z podanego wcześniej powodu; konkretny wybrany zależy od zespołu obwodów BRG (generator prędkości transmisji) i pożądanej prędkości transmisji.

W rzeczywistości moc rozpraszana przez obwód CMOS stanowi sumę statycznego zużycia energii (spowodowanego przez prądy upływowe) i dynamicznego zużycia energii (zużywanego tylko wtedy, gdy tranzystory zmieniają stan logiczny). Ten ostatni jest funkcją częstotliwości przełączania.

Oto doskonała nota aplikacyjna TI, która opisuje ją bardziej szczegółowo: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Mówiąc to, zazwyczaj najlepszym pomysłem jest wybranie niższej częstotliwości zegara. Czasami jednak bardziej sensowne jest użycie wyższej częstotliwości taktowania, aby np. Moduł obsługi przerwań mógł szybciej zakończyć swoje zadanie i przełączać procesor w tryb oszczędzania energii między przerwaniami.

Jak wspomniano powyżej, ludzie dokonują kompromisów między prędkością a mocą.

Na rynku o wysokiej wydajności jest on bardziej złożony - w przypadku Intela występują problemy konkurencyjne - jak szybko mogę uruchomić krzem? zależy - wykonanie instrukcji wymaga kilku zegarów - Jako (bardzo) prosty przykład mogę być w stanie zbudować potok 4 taktowania / instrukcji, który taktuje z częstotliwością 1 GHz i 6 potoków z zegarem / instrukcji, który taktuje z częstotliwością 1,25 GHz, nadal będę przechodzić na emeryturę 1 instrukcja na każdym zegarze i 6 rurka z zegarem / instrukcją będzie szybsza

W prawdziwym świecie zdarzają się takie rzeczy, jak pęcherzyki rurociągu, im więcej etapów rurociągu masz, tym więcej zegarów marnujesz, gdy musisz uzupełnić rurociąg - średnio 4-godzinna rura wypełnia się szybciej niż 6-godzinna rura i średnio (w dużej grupie benchmarków) potok 6-taktowy może zająć 2 zegary, aby wycofać każdą instrukcję w porównaniu z zegarem 1,5 dla 4-etapowego projektu - projekt 4-etapowy wykona 6-etapowy (1 gHz / 1,5> 1,25 GHz / 2).

Oczywiście marketingowcom trudno jest sprzedawać takie rzeczy - ludzie są tak przyzwyczajeni, że „więcej GHz oznacza szybsze”

Innym zagadnieniem jest EMC / EMI - kompatybilność elektromagnetyczna / zakłócenia elektromagnetyczne.

Na przykład, szybkie sygnały cyfrowe mogą wytwarzać niezamierzone promieniowanie RF (częstotliwość radiowa - od fal długofalowych do mikrofal), które może być źródłem zakłóceń w licencjonowanym użytkowaniu RF. Obejmuje to transmisję radiową AM (MW), transmisję telewizyjną, telefony komórkowe, odbiorniki GPS i inne obwody elektroniczne.

W rzeczywistości przy dużych prędkościach długie (miedziane) ślady na płytce drukowanej (PCB) mogą działać jak anteny, zarówno do transmisji, jak i odbioru. Na przykład źle rozłożony obwód może łatwo odbierać wystarczającą ilość zakłóceń, jeśli telefon komórkowy znajduje się zbyt blisko płytki drukowanej, aby spowodować awarię systemu.

Satelity muszą również brać pod uwagę promieniowanie jonizujące (tj. Cząstki gamma), jedno rozwiązanie wymaga zastosowania utwardzanych radiacyjnie układów scalonych, które mogą działać tylko przy ograniczonych prędkościach z powodu procesu produkcyjnego.

Z tego powodu produkty komercyjne muszą przejść testy EMC / EMI, zanim zostaną dopuszczone do sprzedaży na rynku ogólnym.