Wie geraten elektrische Signale in CPUs und anderen integrierten Schaltkreisen nicht aus dem Takt?

Ich bin ein Neuling in der Elektronik und diese Frage hat mich eine Weile beschäftigt:

Wie geraten elektrische Signale in integrierten Schaltkreisen und CPUs nicht aus dem Takt?

Schauen wir uns zum Beispiel den 3-Bit-Addierer an:


(Quelle: visionics.a.se )

Wie Sie sehen können, geht das Signal von "C", das den unteren Pfad geht, nur durch ein Logikelement, das Signal von "A" muss jedoch mindestens 2 oder 3 Logikelemente durchlaufen.

Würde das Signal "A" nicht verzögert werden? Was ist, wenn ein Signal keine Logikelemente durchläuft und das andere 100.000 durchlaufen muss? Wie werden sie synchronisiert? Wie stellt die CPU sicher, dass die richtigen Einsen und Nullen zur richtigen Zeit verarbeitet werden?

Antworten (1)

Deshalb gibt es Uhr. In der Tat gibt es manchmal instabile Ausgaben auf Logikschaltungen wie Addierern, aber die Ausgabe wird nur beim Clock-Strobe registriert, sodass die Zeit zur Stabilisierung bekannt ist. Genau aus diesem Grund können Sie nicht mit einer höheren Taktfrequenz als angegeben arbeiten - Signale werden nicht rechtzeitig an Eingängen ankommen.

Danke. Ich habe von der Uhr gehört, bin mir aber nicht sicher, wie sie genau bei der Synchronisierung hilft. Könnten Sie näher darauf eingehen. Ich habe auch eine Folgefrage dazu, was passiert, wenn die Synchronisierung länger als 1 Taktzyklus dauert. Das ist möglich, oder? Ein Signal geht direkt zum Eingang, das andere muss durch viele Gatter gehen, die 1,1 Zyklen dauern.
Du studierst jetzt Elektronik? Ich denke, es ist besser, das zu lernen, ist Klasse. Stellen Sie sich vor, es gäbe ein D-Flip-Flop, ein Ding, das einen Eingang und einen Ausgang hat. Der Ausgang wird gleich dem Eingang, wenn der Takt hoch ansteigt, und bleibt dann bis zum nächsten Takt stabil. Was also nicht rechtzeitig eingetroffen ist, wird nicht registriert. Das ist es.
Danke. Ich studiere keine Elektronik und habe sehr wenig Verständnis dafür. Es ist nur eine Frage, die mir als Programmierer auf der Seele brennt. Die Chipdesigner müssen also sicherstellen, dass kein Signal in einer komplizierteren Schaltung zu lange verzögert wird, sonst wird es nicht registriert?
Oh ja. Tatsächlich ist dies eine der schwierigsten Herausforderungen sowohl im logischen als auch im physikalischen Design des Chips. Die gleiche Herausforderung besteht beim FPGA-Design, aber da fast jeder Elektronikingenieur VHDL codiert, sieht man manchmal Designs, die auf moderner Hardware nicht einmal 10 MHz ausführen können.
Was ist mit Intel-CPUs, die mit 4 GHz laufen? Sind sie alle handgezeichnet? Es gibt 10 Milliarden Transistoren. Wie haben sie alles so richtig hinbekommen, dass es nie wegen Verzögerungen abstürzt.
Nun, zunächst einmal laufen nicht alle Komponenten innerhalb einer CPU auf Hochtouren. Jedenfalls wird jede komplexe Logik, um Taktbeschränkungen zu erfüllen, in einfache Stufen unterteilt, jede Komponente wird nahe an denjenigen platziert, die mit ihren Ein- und Ausgängen verbunden sind. Und natürlich zeichnet niemand Transistoren. Logik wird in Hochsprachen kodiert, verifiziert und simuliert.
Wow danke für die Antwort. Ich wusste nicht, dass Komponenten in der CPU nicht mit 4 GHz laufen. Was sind das für Komponenten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen? Ich bin eine sehr neugierige Person.
Nun, ich bin mit der CPU von Intel nicht genau vertraut, aber es ist klar, dass jede Komponente zwischen dem Kern (Alu, Register, Pipeline), die mit voller Geschwindigkeit läuft, und der Außenwelt (Nord- / Südbrücken und was auch immer sie heute verbinden) langsamer läuft , würde an einigen Stellen Module mit niedrigerer Geschwindigkeit enthalten. Das kann auf jeden Fall noch ein oder zwei GHz sein. Beachten Sie auch, dass diese Geschwindigkeit mit physikalisch kleinen Elementen verfügbar ist, die weniger Zeit benötigen, um zu signalisieren, dass sie sie passieren.
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Wie geraten elektrische Signale in CPUs und anderen integrierten Schaltkreisen nicht aus dem Takt?
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