Tại sao các thiết bị tương đối đơn giản như vi điều khiển lại chậm hơn nhiều so với CPU?

Với cùng một số giai đoạn đường ống và cùng một nút sản xuất (giả sử, 65nm) và cùng một điện áp, các thiết bị đơn giản sẽ chạy nhanh hơn các giai đoạn phức tạp hơn. Ngoài ra, việc hợp nhất nhiều giai đoạn đường ống thành một không nên làm chậm bởi một hệ số yếu tố hơn số lượng các giai đoạn.

Bây giờ lấy CPU năm tuổi, chạy 14 giai đoạn đường ống với tốc độ 2,8 GHz. Giả sử người ta hợp nhất các giai đoạn; nó sẽ chậm xuống dưới 200 MHz. Bây giờ tăng điện áp và giảm số bit trên mỗi từ; điều đó thực sự sẽ tăng tốc mọi thứ.

Đó là lý do tại sao tôi không hiểu tại sao nhiều bộ vi điều khiển hiện đang được sản xuất, chẳng hạn như AVL, chạy ở tốc độ nhanh (như 20 MHz ở 5 V), mặc dù các CPU phức tạp hơn được sản xuất nhiều năm trước có khả năng chạy nhanh hơn 150 lần, hoặc nhanh hơn 10 lần nếu bạn cuộn tất cả các giai đoạn đường ống thành một, tại 1,2 V-ish. Theo các tính toán phía sau thô nhất, các bộ vi điều khiển, ngay cả khi được sản xuất bằng công nghệ lỗi thời, thì nên chạy nhanh hơn ít nhất 10 lần ở một phần tư điện áp mà chúng được cung cấp.

Vì vậy, câu hỏi: những lý do cho tốc độ xung nhịp vi điều khiển chậm là gì?

Có những yếu tố khác góp phần vào tốc độ.

• Bộ nhớ: Hiệu suất thực tế thường bị giới hạn bởi độ trễ bộ nhớ. CPU Intel có bộ nhớ cache lớn để bù đắp cho điều này. Vi điều khiển thường không. Bộ nhớ flash chậm hơn nhiều so với DRAM.

• Tiêu thụ điện năng: Đây thường là một vấn đề lớn trong các ứng dụng nhúng. CPU Intel 200 MHz thực tế tiêu thụ hơn 10 watt (thường là nhiều hơn) và cần một bộ tản nhiệt lớn và quạt. Điều đó chiếm không gian và tiền bạc, và thậm chí còn không tính logic và bộ nhớ bên ngoài đi cùng với nó. Một AVR 20 MHz mất khoảng 0,2 watt, bao gồm mọi thứ bạn cần. Điều này cũng liên quan đến quá trình - bóng bán dẫn nhanh hơn có xu hướng bị rò rỉ.

• Điều kiện hoạt động: Như Dmitry chỉ ra trong các bình luận, nhiều bộ vi điều khiển có thể hoạt động trong phạm vi điện áp và nhiệt độ rộng. ATMega mà tôi đã đề cập ở trên hoạt động từ -40C đến 85C và có thể được lưu trữ ở mọi thứ từ -65C đến 150C. (Các MCU khác hoạt động tới 125C hoặc thậm chí 155C.) Điện áp VCC có thể là bất cứ thứ gì từ 2.7V đến 5.5V (5V +/- 10% cho hiệu suất cao nhất). Bảng dữ liệu Core i7 này khó đọc vì chúng cắt VCC được phép trong quá trình sản xuất, nhưng dung sai điện áp và nhiệt độ chắc chắn hẹp hơn - ~ 3% dung sai điện áp và nhiệt độ tiếp giáp tối đa 105C. (Tối thiểu 5C, nhưng khi bạn kéo> 100 ampe, nhiệt độ tối thiểu không thực sự là vấn đề.)

• Đếm cổng: Đơn giản hơn không phải lúc nào cũng nhanh hơn. Nếu đúng như vậy, Intel sẽ không cần bất kỳ kiến ​​trúc sư CPU ​​nào! Nó không chỉ là đường ống; bạn cũng cần những thứ như một FPU hiệu suất cao. Điều đó làm tăng giá. Rất nhiều MCU cấp thấp có CPU chỉ có số nguyên vì lý do đó.

• Ngân sách khu vực chết: Vi điều khiển phải phù hợp với nhiều chức năng cho một khuôn, thường bao gồm tất cả bộ nhớ được sử dụng cho ứng dụng. (SRAM và đèn flash NOR đáng tin cậy khá lớn.) CPU PC nói chuyện với bộ nhớ ngoài và chip ngoại vi.

• Quá trình: Những 5V 5V đó được thực hiện trên một quy trình chi phí thấp cổ xưa. Hãy nhớ rằng, chúng được thiết kế từ mặt đất trở nên rẻ. Intel bán các sản phẩm tiêu dùng với tỷ suất lợi nhuận cao bằng cách sử dụng tiền công nghệ tốt nhất có thể mua. Intel cũng bán CMOS thuần. Các quy trình MCU cần sản xuất bộ nhớ flash trên chip, khó khăn hơn.

Nhiều yếu tố trên có liên quan.

Bạn có thể mua vi điều khiển 200 MHz ngay hôm nay ( đây là một ví dụ ). Tất nhiên, chúng có giá gấp mười lần so với ATMegas 20 MHz đó ...

Phiên bản ngắn là tốc độ phức tạp hơn đơn giản và các sản phẩm giá rẻ được tối ưu hóa cho giá rẻ chứ không phải tốc độ.

Một lý do kỹ thuật cơ bản chính cho tốc độ chậm là MCU giá rẻ / nhỏ chỉ sử dụng bộ nhớ flash trên chip để lưu trữ chương trình (tức là chúng không thực thi từ RAM).

Các MCU nhỏ thường không lưu bộ nhớ chương trình, vì vậy họ luôn cần đọc một lệnh từ flash trước khi thực hiện nó, mỗi chu kỳ. Điều này mang lại hiệu suất xác định và # chu kỳ / hoạt động, chỉ rẻ hơn / đơn giản hơn và tránh các vấn đề giống như PC khi mã và dữ liệu được trộn lẫn tạo ra một loạt các mối đe dọa mới từ tràn bộ đệm, v.v.

Độ trễ của việc đọc từ bộ nhớ flash (theo thứ tự 50-100ns) chậm hơn nhiều so với đọc từ SRAM hoặc DRAM (theo thứ tự 10ns trở xuống) và độ trễ phải được phát sinh sau mỗi chu kỳ, giới hạn tốc độ xung nhịp của phần.

Tại sao mọi người đi xe đạp hoặc xe máy nhỏ, khi bạn có xe Công thức 1? Chắc chắn phải lái xe tốt hơn 300 km / h và đi mọi nơi ngay lập tức?

Nói một cách đơn giản, không cần phải nhanh hơn họ. Ý tôi là, chắc chắn có một bộ vi điều khiển nhanh hơn và nhanh hơn cho phép một số thứ, nhưng bạn sẽ làm gì khi nói một máy bán hàng tự động sử dụng liên tục trong khoảng 1 giờ mỗi ngày? Bạn sẽ làm gì trong một bộ điều khiển từ xa nói cho TV?

Mặt khác, chúng có các khả năng quan trọng khác, như tiêu thụ điện năng thấp, đơn giản hơn để lập trình và v.v. Về cơ bản, chúng không phải là bộ xử lý và làm những việc khác nhau.

Có rất nhiều bộ điều khiển ARM chạy ở tốc độ hàng trăm MHz trở lên. Ai cần một PIC 500 MHz và sẵn sàng trả đủ cho mỗi bộ phận để biện minh cho mặt nạ triệu đô cho một quy trình hiện đại?

ATmega328 phổ biến được cho là được sản xuất với công nghệ 350nm, hơi chậm so với các CPU Intel sản xuất mới nhất ( 14nm cho Skylake ).

Ngay cả các bộ điều khiển 8 bit giá rẻ đã dần tăng tốc và bạn có thể nhận được các bộ điều khiển PIC 32 và 64 MHz (ví dụ PIC18F14K22) vẫn hoạt động ở mức 5 V (sau này là một sự cân nhắc trong tổng chi phí hệ thống).

Một xem xét là các bộ điều khiển này có kiến ​​trúc được tối ưu hóa cho không gian bộ nhớ nhỏ và tốc độ xung nhịp chậm. Một khi bạn bắt đầu đạt được tốc độ xung nhịp cao, bạn phải điều chỉnh lại mọi thứ với các bộ đếm trước, v.v.

Đã có một nỗ lực quay trở lại (cuối những năm 1990) để sản xuất các bộ điều khiển giống như PIC rất nhanh, với ý tưởng rằng phần sụn có thể thay thế cho các thiết bị ngoại vi nếu vi điều khiển đủ nhanh. Ví dụ, bạn có thể bit-bang một UART. Tôi không nghĩ rằng tất cả họ đều thành công về mặt thương mại- Scenix-> Ubicom-> Qualcomm (trò chơi kết thúc).

Hãy tưởng tượng một người muốn sản xuất ô tô. Một cách tiếp cận là sử dụng một loạt các thiết bị trong nhà máy một cách tuần tự, chế tạo từng chiếc xe một. Cách tiếp cận này có thể được thực hiện với một lượng vừa phải các thiết bị phức tạp vừa phải, nhiều thiết bị như vậy có thể được sử dụng để thực hiện nhiều hơn một bước. Mặt khác, phần lớn thiết bị trong nhà máy vẫn sẽ không hoạt động trong phần lớn thời gian.

Một cách tiếp cận khác là thiết lập một dây chuyền lắp ráp, để ngay khi thiết bị xử lý bước sản xuất đầu tiên kết thúc hoạt động trên chiếc xe đầu tiên, nó có thể tiến hành bắt đầu hoạt động tương ứng trên chiếc xe tiếp theo. Cố gắng sử dụng lại một thiết bị ở nhiều giai đoạn trong quy trình sản xuất sẽ rất phức tạp, vì vậy, trong hầu hết các trường hợp, tốt hơn là sử dụng nhiều thiết bị được tối ưu hóa để thực hiện một nhiệm vụ rất cụ thể (ví dụ: nếu cần khoan 50 các lỗ có 10 kích cỡ khác nhau, sau đó thiết lập thiết bị tối thiểu sẽ bao gồm một mũi khoan có 10 bit và cơ chế thay đổi nhanh, nhưng một dây chuyền lắp ráp có thể có 50 mũi khoan với một bit được cài đặt vĩnh viễn và không cần thay đổi nhanh) .

Đối với những thứ như DSP hoặc GPU, có thể đạt được tốc độ rất cao tương đối rẻ vì tính chất công việc cần thực hiện là rất phù hợp. Thật không may, nhiều CPU cần có khả năng xử lý các lỗi tùy ý của các hướng dẫn về độ phức tạp khác nhau. Làm điều đó một cách hiệu quả là có thể, nhưng nó đòi hỏi logic lập kế hoạch rất phức tạp. Trong nhiều CPU hiện đại, logic cần thiết để "thực hiện công việc" không quá phức tạp hoặc tốn kém, nhưng logic cần thiết để phối hợp mọi thứ khác là.