Bagaimana frekuensi dipilih?

Saya bukan spesialis elektronik. Saya hanya seorang programmer. Saya mengajukan pertanyaan ini hanya untuk bersenang-senang.

Pertanyaan saya: Bagaimana frekuensi untuk desain sirkuit digital dipilih?

Apakah frekuensi dipilih "sebelum tangan" sebelum melakukan desain yang sebenarnya, "sebagai pilihan terakhir" setelah sirkuit sudah dirancang, atau "di tengah" menyesuaikannya beberapa kali selama desain?

Bagaimana jika ternyata bagian-bagian yang berbeda dari sirkuit besar memerlukan frekuensi optimal yang berbeda? Bukankah itu alasan untuk mendesain ulang beberapa bagian sirkuit?

Bisakah Anda menggambarkan tahapan memilih frekuensi selama desain?

Bagaimana bisa terjadi bahwa banyak CPU "Core" seri memiliki frekuensi lebih rendah daripada Pentium-4 yang memang memiliki kecepatan lebih besar?

Saya juga pernah mendengar bahwa frekuensi yang lebih rendah menyebabkan konsumsi daya yang lebih sedikit. Tapi bukankah Core CPU memiliki frekuensi yang lebih rendah, namun tidak sedikit gerbang logis yang mengubah statusnya per detik? Bukankah jumlah gerbang yang mengubah kondisinya bukan frekuensi faktor yang menentukan konsumsi daya?

I. Sebagian besar chip waktu akan menggunakan frekuensi yang berbeda untuk bagian chip yang berbeda. Sekarang bahkan mikrokontroler 0,5 $ paling dasar memiliki skema pencatatan jam kerja yang cukup rumit (nah paling tidak layaknya bab terpisah dalam lembar data). Jadi frekuensi clock akan dipilih pada basis blok demi blok.

II Pada tahap apa frekuensi desain dipilih:

a) Saya akan mengklaim bahwa sebagian besar waktu pada tahap awal. Orang akan mendapatkan persyaratan (misalnya: harus men-decode Video HD). Berdasarkan itu orang akan memilih arsitektur dengan mempertimbangkan tradeoffs daya / teknologi / biaya (area). Salah satu output dari keputusan arsitektur adalah frekuensi clock.

b) Namun beberapa kali keputusan awal kurang optimal / salah. Jadi modifikasi sedang dilakukan. Namun ini bisa mahal karena biasanya bagian chip yang berbeda dirancang secara paralel. Mengubah satu jam dapat memicu desain ulang blok lain (karena antarmuka dan sumber jam itu sendiri). Saya akan mengatakan bahwa karena alasan ini hal ini dihindari. Tentu saja lebih mudah bagi beberapa blok untuk mengubah frekuensi clock daripada yang lain sehingga "millage Anda mungkin berbeda-beda".

c) Pada tahap terakhir tempat dan rute (ini adalah salah satu tahap terakhir sebelum mengirim chip ke pabrik) kadang-kadang orang dapat mengalami kesulitan menutup waktu / anggaran daya (mis. membuat desain bekerja pada frekuensi / daya yang ditargetkan) sehingga keputusan diambil. dibuat untuk menurunkan frekuensi clock. Ini pasti dihindari karena ini berarti tidak memenuhi beberapa spesifikasi pemasaran. Tetapi beberapa kali lebih bijaksana untuk lebih cepat di pasar kemudian melakukan desain ulang yang pada tahap ini akan sangat mahal dan memakan waktu.

Tetapi ada lagi:

d) Beberapa kali keputusan frekuensi jam dibuat setelah fabrikasi (jika ketentuan tertentu dalam desain dibuat sebelumnya). Karena variabilitas manufaktur beberapa chip ternyata lebih baik dari yang lain. Dari satu dapat melakukan binning - mengurutkan chip berdasarkan frekuensi maksimum apa yang dapat bekerja andal dan menjual mereka lebih cepat dengan premi. Saya akan mengatakan ini sebagian besar digunakan oleh vendor prosesor PC.

e) Kadang-kadang chip yang siap berada di bawah clock di peralatan akhir untuk menghemat daya (populer di UC) jika daya pemrosesan yang diperlukan lebih rendah dari maksimum yang diizinkan dari chip.

f) Dalam beberapa jam desain modern dapat disesuaikan secara dinamis. Kemudian jam diubah di bidang berdasarkan beban untuk menghemat daya.

AKU AKU AKU.Jadi bagaimana frekuensi dipilih dan mengapa beberapa kali desain bekerja pada jam yang lebih rendah akan memiliki kemampuan pemrosesan yang lebih besar:

Oh boy ada begitu banyak variabel jadi ini adalah disiplin teknik itu sendiri. Anda telah mempertimbangkan persyaratan pemasaran, teknologi, biaya, EMI, daya, standar yang didukung, persyaratan IO dll. ...

Tetapi pada dasarnya orang dapat membodohi mengikuti - untuk mencapai kinerja yang diberikan seseorang dapat memiliki jam lebih cepat (melakukan hal-hal dalam seri satu demi satu) atau melakukan hal-hal secara paralel pada jam yang lebih rendah dengan biaya menggunakan lebih banyak transistor. Karena beberapa faktor - terutama saluran pipa / latensi memori kadang-kadang lebih baik menggunakan lebih banyak transistor daripada jam yang lebih cepat.

Di arena tertanam, sering kali frekuensi tertentu dipilih karena kendala dengan periferal mikrokontroler. Sebagai contoh, kristal 1,8432 MHz (atau kelipatan dari frekuensi ini seperti 18,432 MHz) dapat digunakan karena frekuensi dasar ini dibagi dengan 16 menghasilkan tingkat baud 115.200 untuk UART. 32768 Hz sering digunakan untuk aplikasi mikrokontroler berdaya rendah karena mudah dibagi menjadi 1 Hz untuk menghemat waktu.

Berikut adalah daftar berbagai frekuensi kristal dan alasan keberadaannya. Yang terdaftar "jam UART" sering dipilih untuk mikrokontroler karena alasan yang diberikan sebelumnya; spesifik yang dipilih tergantung pada sirkuit BRG (baud rate generator) dan baud rate yang diinginkan.

Sebenarnya, daya yang dihabiskan oleh rangkaian CMOS adalah jumlah konsumsi daya statis (yang disebabkan oleh arus bocor) dan konsumsi daya dinamis (dikonsumsi hanya ketika transistor mengubah keadaan logika). Yang terakhir adalah fungsi dari frekuensi switching.

Berikut catatan aplikasi TI luar biasa yang menjelaskannya dengan lebih terperinci: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Mengatakan itu, biasanya ide terbaik untuk memilih frekuensi clock yang lebih rendah. Namun, kadang-kadang lebih masuk akal untuk menggunakan frekuensi clock yang lebih tinggi sehingga mis. Interrupt handler dapat menyelesaikan tugasnya dengan lebih cepat, dan mengalihkan CPU ke mode hemat daya antar interupsi.

Seperti yang disebutkan di atas, orang melakukan pertukaran daya vs. kekuatan.

Pada akhir kinerja tinggi dari pasar itu lebih kompleks - dalam kasus Intel ada masalah yang bersaing - seberapa cepat saya bisa membuat silikon pergi? tergantung - untuk mengeksekusi instruksi membutuhkan beberapa jam - Sebagai contoh (sangat) sederhana saya mungkin dapat membangun pipa 4 jam / instruksi yang jam 1GHz dan pipa 6 jam / instruksi yang jam 1.25GHz saya masih akan pensiun 1 instruksi pada setiap jam dan pipa 6 jam / instruksi akan lebih cepat

Di dunia nyata meskipun hal-hal seperti gelembung pipa terjadi, semakin banyak tahapan pipa yang Anda miliki, semakin banyak jam yang Anda buang ketika Anda harus mengisi ulang pipa - pipa 4 jam akan mengisi lebih cepat daripada pipa 6 jam dan rata-rata (lebih dari banyak) benchmark) pipa 6 jam mungkin membutuhkan 2 jam untuk pensiun setiap instruksi dibandingkan dengan 1,5 jam untuk desain tahap 4 pipa - desain 4 tahap akan melakukan 6 tahap satu (1gHz / 1,5> 1,25GHz / 2).

Tentu saja sulit bagi orang pemasaran untuk menjual barang-barang seperti ini - orang sudah terbiasa dengan "lebih banyak GHz berarti lebih cepat"

Pertimbangan lain adalah EMC / EMI - kompatibilitas elektromagnetik / interferensi elektromagnetik.

Misalnya, sinyal digital berkecepatan tinggi dapat membuat radiasi RF (frekuensi radio - dari gelombang panjang ke gelombang mikro) yang tidak diinginkan yang dapat menjadi sumber gangguan untuk penggunaan RF berlisensi. Ini termasuk siaran radio AM (MW), siaran televisi, telepon seluler, ke penerima GPS dan sirkuit elektronik lainnya.

Bahkan pada kecepatan tinggi, jejak panjang (tembaga) pada papan sirkuit tercetak (PCB) dapat bertindak sebagai antena, baik untuk pengiriman maupun penerimaan. Misalnya, sirkuit yang diletakkan dengan buruk dapat dengan mudah menerima gangguan yang cukup jika ponsel diletakkan terlalu dekat dengan papan sirkuit untuk menabrak sistem.

Satelit juga harus mempertimbangkan radiasi pengion (yaitu partikel gamma), satu solusi memerlukan penggunaan IC yang dikeraskan yang hanya dapat beroperasi pada kecepatan terbatas karena proses pembuatannya.

Karena produk komersial ini harus melalui pengujian EMC / EMI sebelum diizinkan untuk dijual ke pasar umum.