Tần số được chọn như thế nào?

Tôi không phải là một chuyên gia về điện tử. Tôi chỉ là một lập trình viên. Tôi hỏi câu hỏi này chỉ để cho vui.

Câu hỏi của tôi: Làm thế nào tần số cho một thiết kế của một mạch kỹ thuật số được chọn?

Là tần số được chọn "trước tay" trước khi thực hiện thiết kế thực tế, "là lựa chọn cuối cùng" sau khi mạch đã được thiết kế hay "ở giữa" điều chỉnh nó nhiều lần trong khi thiết kế?

Điều gì xảy ra nếu hóa ra các phần khác nhau của một mạch lớn đòi hỏi các tần số tối ưu khác nhau? Nó không phải là một lý do để thiết kế lại một số phần của mạch?

Bạn có thể mô tả các giai đoạn chọn tần số trong quá trình thiết kế?

Làm thế nào điều đó đã xảy ra khi nhiều CPU dòng "Core" có tần số thấp hơn Pentium-4 thực sự có tốc độ lớn hơn?

Tôi cũng đã nghe nói rằng tần số ít hơn dẫn đến tiêu thụ năng lượng ít hơn. Nhưng CPU lõi không có tần số nhỏ hơn có số cổng logic thay đổi trạng thái mỗi giây không ít hơn? Không phải số lượng cổng thay đổi trạng thái của chúng không phải là yếu tố xác định mức tiêu thụ điện?

I. Hầu hết các chip thời gian sẽ sử dụng các tần số khác nhau cho các phần khác nhau của chip. Ngày nay, ngay cả những người điều khiển cơ bản 0,5 $ cơ bản nhất cũng có sơ đồ xung nhịp khá phức tạp (ít nhất cũng xứng đáng là chương riêng trong bảng dữ liệu). Vì vậy, tần số đồng hồ sẽ được chọn trên khối theo cơ sở khối.

II. Ở giai đoạn tần số thiết kế được chọn:

a) Tôi sẽ tuyên bố rằng hầu hết thời gian là ở giai đoạn đầu. Người ta sẽ nhận được yêu cầu (ví dụ: phải giải mã Video HD). Dựa vào đó, người ta sẽ chọn kiến ​​trúc có tính đến sự đánh đổi sức mạnh / công nghệ / chi phí (diện tích). Một trong những đầu ra của quyết định kiến ​​trúc là tần số xung nhịp.

b) Nhưng một số lần quyết định sớm là tối ưu / sai. Vì vậy, sửa đổi đang được thực hiện. Tuy nhiên, điều này có thể tốn kém vì thường các phần khác nhau của chip được thiết kế song song. Thay đổi một đồng hồ có thể kích hoạt thiết kế lại khối khác (do chính giao diện và nguồn đồng hồ). Tôi sẽ nói rằng vì lý do này điều này được tránh. Tất nhiên, một số khối sẽ dễ dàng thay đổi tần số xung nhịp hơn, do đó, "phần của bạn có thể thay đổi".

c) Ở giai đoạn cuối cùng của địa điểm và tuyến đường (đây là một trong những giai đoạn cuối cùng trước khi gửi chip đến nhà máy) đôi khi người ta có thể gặp khó khăn khi đóng ngân sách thời gian / năng lượng (nghĩa là làm cho công việc thiết kế ở tần số / công suất được nhắm mục tiêu) vì vậy quyết định là thực hiện để tần số xung nhịp thấp hơn. Điều này chắc chắn tránh được vì điều này có nghĩa là không đáp ứng một số thông số kỹ thuật tiếp thị. Nhưng đôi khi khôn ngoan hơn là nhanh hơn trên thị trường sau đó thực hiện thiết kế lại mà ở giai đoạn này sẽ thực sự tốn kém và mất thời gian.

Nhưng có nhiều hơn:

d) Một số lần quyết định tần số đồng hồ được đưa ra sau khi chế tạo (nếu quy định nhất định trong thiết kế được thực hiện trước). Do sự thay đổi trong sản xuất, một số chip trở nên tốt hơn. Hơn một người có thể thực hiện việc đóng thùng - sắp xếp các chip dựa trên tần số tối đa mà chúng có thể hoạt động đáng tin cậy và bán chúng nhanh hơn với giá cao. Tôi muốn nói rằng điều này chủ yếu được sử dụng bởi các nhà cung cấp bộ xử lý PC.

e) Đôi khi các chip sẵn sàng được đặt trong thiết bị cuối cùng để tiết kiệm năng lượng (phổ biến trong uC) nếu công suất xử lý yêu cầu thấp hơn thì tối đa được phép từ chip.

f) Trong một số đồng hồ thiết kế hiện đại có thể được điều chỉnh linh hoạt. Sau đó, đồng hồ được thay đổi trong trường dựa trên tải để tiết kiệm năng lượng.

III.Vì vậy, tần số được chọn như thế nào và tại sao đôi khi thiết kế hoạt động ở xung nhịp thấp hơn sẽ có khả năng xử lý lớn hơn:

Oh boy có rất nhiều biến số vì vậy đây là kỷ luật kỹ thuật trên chính nó. Bạn đã đưa vào các yêu cầu tiếp thị, công nghệ, chi phí, EMI, sức mạnh, tiêu chuẩn được hỗ trợ, yêu cầu IO, v.v ...

Nhưng về cơ bản, người ta có thể giảm bớt điều này để làm theo - để đạt được hiệu suất nhất định, người ta có thể có đồng hồ nhanh hơn (thực hiện từng bước một) hoặc thực hiện song song với đồng hồ thấp hơn với chi phí sử dụng nhiều bóng bán dẫn hơn. Do một số yếu tố - chủ yếu là độ trễ của đường ống / bộ nhớ, đôi khi tốt hơn là sử dụng nhiều bóng bán dẫn hơn sau đó đồng hồ nhanh hơn.

Trong trường nhúng, thường có một tần số cụ thể được chọn do các ràng buộc với các thiết bị ngoại vi của vi điều khiển. Ví dụ: có thể sử dụng tinh thể 1,8432 MHz (hoặc bội số của tần số này, chẳng hạn như 18.432 MHz) vì tần số cơ bản này chia cho 16 kết quả trong tốc độ 115.200 baud cho UART. 32768 Hz thường được sử dụng cho các ứng dụng vi điều khiển công suất thấp vì nó dễ dàng được chia thành 1 Hz để giữ thời gian.

Dưới đây là danh sách các tần số tinh thể khác nhau và lý do chúng tồn tại. Những cái được liệt kê "đồng hồ UART" thường được chọn cho vi điều khiển vì lý do được đưa ra trước đó; cái cụ thể được chọn phụ thuộc vào mạch của BRG (bộ tạo tốc độ baud) và tốc độ baud mong muốn.

Trên thực tế, năng lượng tiêu tán bởi mạch CMOS là tổng mức tiêu thụ năng lượng tĩnh (gây ra bởi dòng rò) và mức tiêu thụ năng lượng động (chỉ tiêu thụ khi các bóng bán dẫn thay đổi trạng thái logic). Cái sau là một chức năng của tần số chuyển đổi.

Đây là một ghi chú ứng dụng tuyệt vời của TI mô tả chi tiết hơn: http : // f Focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Nói rằng, đó thường là ý tưởng tốt nhất để chọn tần số xung nhịp thấp hơn. Tuy nhiên, đôi khi có ý nghĩa hơn khi sử dụng tần số xung nhịp cao hơn, vì vậy, trình xử lý ngắt có thể hoàn thành nhiệm vụ nhanh hơn và chuyển CPU sang chế độ tiết kiệm năng lượng giữa các ngắt.

Như đã đề cập ở trên, mọi người thực hiện tốc độ so với đánh đổi điện.

Ở phần cuối hiệu suất cao của thị trường, nó phức tạp hơn - trong trường hợp Intel có các vấn đề cạnh tranh - tôi có thể làm cho silicon đi nhanh đến mức nào? phụ thuộc - để thực hiện một lệnh mất vài đồng hồ - Như một ví dụ đơn giản (rất) tôi có thể xây dựng một đường ống dẫn 4 đồng hồ / lệnh có xung nhịp 1GHz và đường ống dẫn 6 xung nhịp / xung nhịp ở mức 1,25 GHz tôi vẫn sẽ nghỉ hưu 1 hướng dẫn trên mỗi đồng hồ và 6 đồng hồ / ống hướng dẫn sẽ nhanh hơn

Trong thế giới thực, mặc dù những thứ như bong bóng đường ống xảy ra, càng nhiều giai đoạn đường ống bạn càng lãng phí đồng hồ khi bạn phải đổ đầy đường ống - ống 4 đồng hồ sẽ lấp đầy nhanh hơn ống 6 đồng hồ và trung bình (trên một bó lớn về điểm chuẩn), ống 6 đồng hồ có thể mất 2 đồng hồ để rút lại mọi chỉ dẫn so với 1,5 đồng hồ cho thiết kế giai đoạn 4 ống - thiết kế 4 giai đoạn sẽ thực hiện 6 giai đoạn một (1gHz / 1.5> 1.25GHz / 2).

Tất nhiên, thật khó để những người tiếp thị bán những thứ như thế này - mọi người đã quá quen với "nhiều GHz hơn có nghĩa là nhanh hơn"

Một xem xét khác là EMC / EMI - tương thích điện từ / nhiễu điện từ.

Ví dụ, tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao có thể tạo ra bức xạ RF (tần số vô tuyến - từ sóng dài đến vi sóng) ngoài ý muốn có thể là nguồn gây nhiễu cho việc sử dụng RF được cấp phép. Điều này bao gồm đài phát thanh AM (MW), phát sóng truyền hình, điện thoại di động, đến máy thu GPS và các mạch điện tử khác.

Trong thực tế ở tốc độ cao, dấu vết dài (đồng) trên bảng mạch in (PCB) có thể hoạt động như ăng ten, cho cả truyền và nhận. Ví dụ, một mạch được bố trí kém có thể dễ dàng nhận đủ nhiễu nếu điện thoại di động đặt quá gần bảng mạch để làm hỏng hệ thống.

Vệ tinh cũng phải xem xét bức xạ ion hóa (tức là các hạt gamma), một giải pháp yêu cầu sử dụng IC làm cứng bức xạ chỉ có thể hoạt động ở tốc độ hạn chế do quá trình sản xuất.

Do các sản phẩm thương mại này phải trải qua thử nghiệm EMC / EMI trước khi được phép bán ra thị trường chung.