Ich bin kein Spezialist für Elektronik. Ich bin nur ein Programmierer. Ich stelle diese Frage nur zum Spaß.
Meine Frage: Wie wird die Frequenz für ein Design einer digitalen Schaltung gewählt?
Wird die Frequenz "vorher" vor dem eigentlichen Entwurf gewählt, "als letzte Wahl", nachdem die Schaltung bereits entworfen wurde, oder "in der Mitte" während des Entwurfs mehrmals angepasst?
Was ist, wenn sich herausstellt, dass verschiedene Teile einer großen Schaltung unterschiedliche optimale Frequenzen benötigen? Ist es nicht ein Grund, einige Teile der Schaltung neu zu gestalten?
Können Sie die Phasen der Auswahl der Frequenz während des Designs beschreiben?
Wie kommt es, dass viele CPUs der "Core"-Serie eine geringere Frequenz als Pentium-4 haben und tatsächlich eine höhere Geschwindigkeit haben?
Ich habe auch gehört, dass eine geringere Frequenz zu einem geringeren Stromverbrauch führt. Aber hat die Core-CPU nicht eine geringere Frequenz und dennoch nicht eine geringere Anzahl logischer Gatter, die ihren Zustand pro Sekunde ändern? Ist die Anzahl der Gates, die ihren Zustand ändern, nicht die Frequenz, die den Stromverbrauch definiert?
I. Meistens verwendet der Chip unterschiedliche Frequenzen für verschiedene Teile des Chips. Heutzutage haben sogar die meisten einfachen 0,5-Dollar-Mikrocontroller ein ziemlich kompliziertes Taktschema (nun, das zumindest ein separates Kapitel im Datenblatt verdient). Die Taktfrequenz wird also blockweise gewählt.
II. In welcher Phase der Entwurfsfrequenz wird gewählt:
a) Ich würde behaupten, dass es meistens in einem frühen Stadium ist. Man würde Anforderungen bekommen (Beispiel: muss HD-Video decodieren). Auf dieser Grundlage würde man eine Architektur unter Berücksichtigung von Kompromissen zwischen Leistung/Technologie/Kosten (Fläche) wählen. Eine der Ausgaben der Architekturentscheidung ist die Taktfrequenz.
b) Aber manchmal ist die frühe Entscheidung suboptimal/falsch. Es werden also Modifikationen vorgenommen. Dies kann jedoch kostspielig sein, da normalerweise verschiedene Teile des Chips parallel entworfen werden. Das Ändern einer Uhr kann die Neugestaltung eines anderen Blocks auslösen (aufgrund der Schnittstelle und der Taktquelle selbst). Ich würde sagen, dass dies aus diesem Grund vermieden wird. Natürlich ist es für einige Blöcke einfacher, die Taktfrequenz zu ändern, als für andere, sodass "Ihre Millage variieren kann".
c) In der letzten Phase von Ort und Route (dies ist eine der letzten Phasen vor dem Senden des Chips an die Fabrik) kann es manchmal zu Problemen kommen, das Timing / Leistungsbudget zu schließen (dh das Design bei der angestrebten Frequenz / Leistung zum Laufen zu bringen), also ist die Entscheidung getroffen zu einer niedrigeren Taktfrequenz gemacht. Dies wird definitiv vermieden, da dies bedeutet, dass einige der Marketingspezifikationen nicht erfüllt werden. Aber manchmal ist es klüger, schneller auf dem Markt zu sein, als ein Redesign durchzuführen, das in dieser Phase sehr kostspielig und zeitaufwändig sein wird.
Aber es gibt noch mehr:
d) Manchmal wird die Entscheidung über die Taktfrequenz nach der Herstellung getroffen (wenn bestimmte Vorkehrungen im Entwurf vorher getroffen wurden). Aufgrund der Herstellungsvariabilität fallen einige Chips besser aus als andere. Dann kann man Binning durchführen - die Chips danach sortieren, mit welcher maximalen Frequenz sie zuverlässig arbeiten können, und diese schneller mit Prämie verkaufen. Ich würde sagen, dass dies hauptsächlich von PC-Prozessoranbietern verwendet wird.
e) Manchmal werden fertige Chips in der Endausrüstung untertaktet, um Strom zu sparen (beliebt in uC), wenn die erforderliche Verarbeitungsleistung niedriger ist als die maximal zulässige Leistung des Chips.
f) In einigen modernen Designs kann die Uhr dynamisch angepasst werden. Dann wird die Uhr im Feld basierend auf der Last umgestellt, um Energie zu sparen.
III. Wie also die Frequenz gewählt wird und warum es manchmal so ist, dass ein Design, das mit niedrigerem Takt arbeitet, eine größere Verarbeitungskapazität hat:
Oh Junge, es gibt so viele Variablen, also ist dies eine Ingenieursdisziplin für sich. Sie haben Marketinganforderungen, Technologie, Kosten, EMI, Leistung, unterstützte Standards, IO-Anforderungen usw. usw. berücksichtigt.
Aber im Grunde kann man dies auf Folgendes reduzieren - um eine bestimmte Leistung zu erzielen, kann man einen schnelleren Takt haben (Dinge in Reihe nacheinander tun) oder Dinge parallel mit einem niedrigeren Takt auf Kosten der Verwendung von mehr Transistoren tun. Aufgrund einiger Faktoren - hauptsächlich Pipeline-Stall / Speicherlatenz - ist es manchmal besser, mehr Transistoren als einen schnelleren Takt zu verwenden.
Im eingebetteten Bereich wird aufgrund von Einschränkungen durch die Peripheriegeräte des Mikrocontrollers häufig eine bestimmte Frequenz gewählt. Beispielsweise könnte ein 1,8432-MHz-Quarz (oder ein Vielfaches dieser Frequenz, z. B. 18,432 MHz) verwendet werden, da diese Grundfrequenz dividiert durch 16 eine 115.200-Baud-Rate für einen UART ergibt. 32768 Hz wird häufig für Mikrocontroller-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet, da es zur Zeitmessung leicht auf 1 Hz heruntergeteilt werden kann.
Hier ist eine Liste verschiedener Kristallfrequenzen und der Grund, warum sie existieren. Die aufgelisteten "UART-Uhren" werden aus dem zuvor angegebenen Grund häufig für Mikrocontroller ausgewählt. die spezifische gewählte hängt von der Schaltung des BRG (Baudratengenerator) und der/den gewünschten Baudrate(n) ab.
Tatsächlich ist die von einer CMOS-Schaltung verbrauchte Leistung eine Summe aus statischem Stromverbrauch (verursacht durch Leckströme) und dynamischem Stromverbrauch (verbraucht nur, wenn die Transistoren den logischen Zustand ändern). Letzteres ist eine Funktion der Schaltfrequenz.
Hier ist ein ausgezeichneter Anwendungshinweis von TI, der ihn ausführlicher beschreibt: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf
Allerdings ist es normalerweise die beste Idee, eine niedrigere Taktfrequenz zu wählen. Manchmal ist es jedoch sinnvoller, eine höhere Taktfrequenz zu verwenden, damit zB der Interrupt-Handler seine Aufgabe schneller erledigen kann, und die CPU zwischen den Interrupts in den Stromsparmodus schalten.
Wie oben erwähnt, machen die Leute Kompromisse zwischen Geschwindigkeit und Leistung.
Am Hochleistungsende des Marktes ist es komplexer - im Fall von Intel gibt es konkurrierende Probleme - wie schnell kann ich das Silizium zum Laufen bringen? hängt davon ab - zum Ausführen einer Anweisung werden mehrere Takte benötigt - Als (sehr) einfaches Beispiel kann ich möglicherweise eine 4-Takt- / Anweisungs-Pipeline bauen, die mit 1 GHz taktet, und eine 6-Takt- / Anweisungs-Pipeline, die mit 1,25 GHz taktet. Ich werde mich noch zurückziehen 1 Anweisung auf jeder Uhr und die 6-Uhr/Anweisungs-Pipe wird schneller sein
In der realen Welt treten zwar Dinge wie Pipeline-Blasen auf, je mehr Pipeline-Stufen Sie haben, desto mehr Takte verschwenden Sie, wenn Sie die Pipeline nachfüllen müssen - die 4-Takt-Rohr füllt sich schneller als die 6-Takt-Rohr und im Durchschnitt (über einen großen Haufen von Benchmarks) kann die 6-Takt-Pipe 2 Takte benötigen, um jeden Befehl zurückzuziehen, verglichen mit den 1,5 Takten für das 4-Pipe-Stufendesign - das 4-Stufen-Design übertrifft das 6-Stufen-Design (1 GHz/1,5 > 1,25 GHz/2).
Natürlich ist es für die Marketingleute schwierig, solche Dinge zu verkaufen - die Leute sind so daran gewöhnt, dass "mehr GHz schneller bedeutet".
Eine weitere Überlegung ist EMV / EMI - elektromagnetische Verträglichkeit / elektromagnetische Interferenz.
Beispielsweise können digitale Hochgeschwindigkeitssignale unbeabsichtigte HF-Strahlung (Hochfrequenz – von Langwelle bis Mikrowelle) erzeugen, die eine Störquelle für die lizenzierte HF-Nutzung darstellen kann. Dies schließt AM (MW)-Rundfunk, Fernsehsendungen, Mobiltelefone, GPS-Empfänger und andere elektronische Schaltungen ein.
Tatsächlich können bei hohen Geschwindigkeiten lange (Kupfer-)Leiterbahnen auf einer Leiterplatte (PCB) sowohl zum Senden als auch zum Empfangen als Antennen fungieren. Beispielsweise könnte eine schlecht ausgelegte Schaltung leicht genug Interferenzen erhalten, wenn ein Mobiltelefon zu nahe an der Leiterplatte platziert wird, um ein System zum Absturz zu bringen.
Satelliten müssen auch ionisierende Strahlung (dh Gammateilchen) berücksichtigen, eine Lösung erfordert die Verwendung von strahlungsfesten ICs, die aufgrund des Herstellungsprozesses möglicherweise nur mit begrenzten Geschwindigkeiten arbeiten.
Aus diesem Grund müssen kommerzielle Produkte EMV-/EMI-Tests durchlaufen, bevor sie auf dem allgemeinen Markt verkauft werden dürfen.
Endolith