Ép xung trực tiếp

Trong bảng dữ liệu AVR trong phần Đặc điểm điện, thông thường bạn sẽ tìm thấy một biểu đồ như thế này (biểu đồ này là từ ATMega328):

Tôi đã thấy các thiết kế dường như "hoạt động" nhưng hoạt động bên ngoài phong bì bóng mờ. Cụ thể, tôi đã thấy các thiết kế 3.3V (Arduino) chạy đồng hồ từ tinh thể 16 MHz bên ngoài. Rõ ràng, đây là ra khỏi spec. Những hậu quả tiêu cực thực tế của việc chạy bên ngoài phong bì này là gì?

Cách làm cho cuộc sống thú vị hơn 101:

• Nếu bạn không quan tâm

  rằng kết quả của bạn đôi khi có thể sai,
  rằng hệ thống của bạn đôi khi có thể gặp sự cố,
  rằng cuộc sống của bạn có thể thú vị hơn,
  rằng Segway của bạn chỉ thỉnh thoảng thực hiện đối mặt mà không có lý do rõ ràng,
  rằng ...

  sau đó bằng mọi cách chạy phần bên ngoài thông số kỹ thuật của nhà sản xuất

Bạn nhận được những gì bạn không trả tiền cho.
Nếu bạn có đầu 10 đô la, hãy mua mũ bảo hiểm 10 đô la.

Nó có thể thường xuyên làm việc.
Nó có thể không hoạt động đôi khi.
Có thể không rõ ràng rằng đôi khi nó không hoạt động.

• Một sự phân chia thường có thể làm việc
• Một bước nhảy thường có thể đến.
• Một bảng có thể được tra cứu chính xác.

• Một giá trị ADC có thể đúng.

  Hay không

  

Ở các loại tốc độ này, hầu hết các bộ xử lý hoạt động bằng cách tính toán tất cả các tín hiệu cần thiết ở một chu kỳ xung nhịp nhất định, chờ cho cạnh đồng hồ tiếp theo trong khi chúng ổn định, chốt tất cả các tín hiệu đó và tính toán các tín hiệu cần thiết ở chu kỳ xung nhịp tiếp theo , chờ đợi cạnh đó trong khi các tín hiệu đó ổn định, v.v ... Nếu cạnh đồng hồ đến trước khi các tín hiệu cần thiết đã ổn định, hiệu ứng sẽ là bất kỳ tín hiệu nào không ổn định có thể không được chốt sạch. Nếu điều này xảy ra trong một vi điều khiển, các hiệu ứng có thể không dự đoán được - vì ít nhất hai lý do:

1. Trong nhiều trường hợp, tốc độ thực thi bị giới hạn bởi thời gian đáp ứng của mảng flash mà bộ xử lý đọc mã. Nếu việc chạy bộ xử lý quá nhanh khiến cho một bit thỉnh thoảng bị đọc sai ở đây hoặc ở đó, nó có thể dễ dàng khiến bộ xử lý thực thi mã hoàn toàn khác với những gì được dự định. Trong nhiều chương trình, ngay cả việc đọc sai một lần một lần cũng có thể thay đổi hoàn toàn hành vi; hiếm khi thực tế để cố gắng đưa ra bất kỳ dự đoán về những gì có thể xảy ra trong những trường hợp như vậy. Điều tốt nhất có thể làm trong một số trường hợp là "áo giáp" một số phần nhất định của chương trình để khiến cho việc thực thi sai lầm khó xảy ra. Ví dụ: người ta có thể để EEPROM được bảo vệ cho đến khi người ta muốn viết nó, và sau đó sử dụng mã như:

   uint32_t eep_checksum, eep_addr, eep_data;
   
   #define EEPROM_WRITE (địa chỉ, dữ liệu, vị ngữ) \
     eep_checksum = 0xC0DEFACE, eep_addr = (địa chỉ), eep_data = (dữ liệu), \ 
     eep_checksum + = eep_addr + eep_data, ((vị ngữ) || HARD_CRASH ()), \
     eep_checksum + = (0xCAFEBABE - C0DEFACE), eep_do_write ()
   
   void eep_do_write (void)
   {
     ENABLE_EEPROM_WRITE_HARDware ();
     if (eep_checksum! = eep_addr + eep_data + 0xCAFEBABE)
     {
       DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDware ();
       HARD_CRASH ();
     }
     DO_EEPROM_WRITE ();
     DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDware ();
   }  
   

   Rất có khả năng một thói quen eeprom_write sẽ cố ghi dữ liệu trừ khi "eep_checksum = 0xC0DEFACE" được thực thi trước khi địa chỉ và dữ liệu được tải. Sau khi thực hiện điều đó, vị từ sẽ được kiểm tra tính hợp lệ trước khi điều chỉnh tổng kiểm tra thành giá trị phù hợp và gọi thủ tục eeprom_store.
2. Ngoài những rủi ro rõ ràng gây ra bởi việc thực thi mã không chính xác, một nguồn hành vi ngẫu nhiên tiềm năng khác là tính di động. Thông thường, trên bất kỳ chu kỳ nào, mỗi lần lật sẽ chốt mức cao hoặc thấp. Tuy nhiên, nếu đầu vào của một flip flop thay đổi khi đồng hồ đến, nó có thể cho một số thứ kỳ lạ đầu ra tùy ý có thể tùy ý lật giữa cao và thấp, trong bất kỳ mẫu nào, cho đến chu kỳ đồng hồ tiếp theo; hoàn toàn có khả năng một số thiết bị xuôi dòng từ flip flop sẽ thấy nó là "cao" trong khi những thiết bị khác coi nó là "thấp". Nói chung, bộ xử lý dựa trên nhiều thiết bị đồng ý về những gì họ sẽ làm. Nếu trong quá trình thực hiện một lệnh "giảm dần và phân nhánh-nếu-không-bằng" và một số mạch nghĩ rằng nhánh nên được thực hiện nhưng những người khác thì không,

Các nhà sản xuất chỉ định các tham số vận hành cho các bộ xử lý sao cho trong các tham số đó, các bộ xử lý sẽ chỉ hoạt động đơn giản. Đẩy những thứ bên ngoài phong bì đó có thể làm giảm bộ xử lý xuống chỉ còn 99.9999999 đáng tin cậy. Điều đó có vẻ không quá tệ, nhưng cố gắng chẩn đoán bộ xử lý làm điều gì đó tùy tiện sai một lần một phút hoặc lâu hơn (hình 16 MHz) là không vui.

Câu trả lời đơn giản cho câu hỏi của bạn:

Làm việc bên ngoài "khu vực tốc độ an toàn" có thể khiến hệ thống của bạn hoạt động không ổn định. Điều đó có nghĩa? Kết quả tính toán sai, đặt lại vi điều khiển, vv

Nếu bạn muốn làm điều đó chỉ để giải trí, bạn nên xem qua các trang / bài viết này:

Ép xung Arduino với làm mát bằng nitơ lỏng. 20⇒65,3Mhz @ -196 ° C / -320 ° F

ATmega328 Ép xung (30 MHz)

Một vấn đề chưa được đề cập, điều này ít liên quan đến hoạt động ở tần số hợp lệ trong dải điện áp không hợp lệ (16 MHz ở 3.3V) nhưng nhiều hơn với việc chạy ở tần số không hợp lệ ở dải điện áp hợp lệ (24 MHz ở 5V) là tản nhiệt.

Mỗi khi một cổng trong chip bật hoặc tắt, nó sẽ tản nhiệt. Cổng, được tạo thành từ MOSFET, hoạt động như một điện trở thay đổi trong khoảng thời gian giữa BẬT và TẮT, hoặc TẮT và BẬT. Đó là điện trở tất nhiên tản nhiệt. Càng chuyển đổi thường xuyên, càng có ít thời gian giữa các lần chuyển đổi để nhiệt đó tiêu tan ra khỏi chip và bạn có nguy cơ tích tụ nhiệt.

Ergo, bạn chạy càng nhanh, càng nhiều nhiệt có thể tích tụ. Đó là lý do tại sao CPU PC có quạt lớn trên chúng - chúng chuyển đổi nhanh đến mức chúng không thể lấy nhiệt ra khỏi chip đủ nhanh, vì vậy chúng cần sự giúp đỡ.

Tốc độ định mức cao nhất của chip được chọn để cho phép chip tiêu tan sự tích tụ nhiệt của nó một cách đáng tin cậy trong các điều kiện hoạt động hợp lệ (ví dụ, nhiệt độ môi trường, thường là tối đa 85 ° C hoặc 105 ° C). Vượt quá tần số đó có thể khiến chip quá nóng.

Có, có thể chạy chip nhanh hơn dự định nếu bạn cung cấp một số trợ giúp - tức là tản nhiệt và có thể là quạt, và đảm bảo có luồng không khí tốt xung quanh nó. Nhưng tất nhiên, vào một ngày ấm áp vào mùa hè, bạn có thể tìm thấy một thiết bị hoạt động hoàn hảo suốt mùa đông đột nhiên bắt đầu làm những điều kỳ lạ.

Một điều khác cần xem xét là tỷ lệ xoay. Tín hiệu đồng hồ (và các tín hiệu khác cũng vậy) cần có thời gian để tăng hoặc giảm đến mức mong muốn. Nếu phần bên trong của chip có nghĩa là tín hiệu đồng hồ sẽ mất 15ns để tăng từ mức THẤP lên mức CAO và bạn thử và xem nó ở tần số trong đó khoảng thời gian CAO là 42ns (24 MHz), chỉ còn lại 27ns đồng hồ hợp lệ thời gian còn lại. Đó chỉ là 64% đồng hồ thực sự là tín hiệu đồng hồ - phần còn lại là rác. Tương tự cho các chân IO. Những thứ như đầu ra của đồng hồ SPI sẽ bị giới hạn bởi tốc độ xoay của pin IO, vì vậy nếu bạn ép xung chip của mình để có SPI nhanh hơn, bạn sẽ thấy mọi thứ không diễn ra theo kế hoạch, như sóng vuông đẹp mà bạn mong đợi từ đầu ra của đồng hồ không vuông nữa.

Thiết bị có thể không hoạt động ở một số kết hợp điện áp / nhiệt độ.