Remontnouta.ru

ПК Ремонт техники
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тактирование цифровых схем

Тактирование цифровых схем

Тактирование цифровых схем: осцилляция, генерация, частота

Для функционирования цифровых схем характерен строгий порядок че­ре­дования логических состояний. Он называется тактированием и ис­чис­ляется в (кило-, мега-, гига-) герцах. Так, например, системное вре­мя тактируется частотой в 32 КГц, а ес­ли точнее — 32768 Гц. Почему? От­вет три­ви­аль­ный: в основе работы системных ча­сов лежит использование пят­над­ца­ти­раз­ряд­но­го двоичного счетчика (2 15 ). Если его ин­кре­мен­ти­ро­вать — увеличивать значение на единицу — с частотой 32768 Гц, он будет переполняться еже­се­кун­д­но, что позволит ре­а­ли­зо­вать схему системных часов на типовой логике без особых конструктивных слож­но­с­тей.


Рис 1. Блок-схема кварцевых часов

На что влияет частота процессора

Во времена, когда мобильные телефоны были толстые и черно-белые, процессоры – одноядерные, а гигагерц казался непреодолимой планкой (лет 20 назад), единственной характеристикой для сравнения мощностей ЦП была тактовая частота. Десятилетие спустя второй важной характеристикой стало количество ядер. В наше время смартфон, толщиной менее сантиметра, содержит ядер больше, да и тактовую частоту имеет выше, чем простой ПК тех лет. Попробуем разобраться, на что влияет тактовая частота процессора.

Частота процессора влияет на скорость, с которой транзисторы процессора (и их внутри чипа сотни миллионов) производят переключение. Измеряется она в количестве переключений за секунду и выражается в миллионах или миллиардах герц (мегагерц или гигагерц). Один герц – это одно переключение транзисторов процессора в секунду, следовательно, один гигагерц – один миллиард таких переключений за то же время. За одно переключение, если говорить упрощенно, ядро делает одну математическую операцию.

Следуя обычной логике можно прийти к выводу, что чем больше частота – тем быстрее переключаются транзисторы в ядрах, тем скорее решаются задачи. Именно поэтому в прошлом, когда основная масса процессоров была по сути усовершенствованным Intel x86, архитектурные отличия были минимальны, и было ясно, что чем больше частота тактов – тем быстрее идут вычисления. Но со временем все изменилось.

В конце 90-х на рынке процессоров произошел «раскол», каждый производитель начал делать свою версию x86 чипов. Тогда же начался рассвет процессоров на архитектуре ARM, которые оказались медленнее, но намного экономичнее компьютерных x86. Именно эта архитектура стала основной для чипов современных смартфонов. Детальнее об архитектурах читайте наш подробный материал.

Можно ли сравнивать частоты разных процессоров

В 21 веке разработчики научили свои процессоры обрабатывать за такт не одну инструкцию, а больше. Поэтому процессоры с одинаковой частотой тактов, но основанные на разных архитектурах, выдают разный уровень быстродействия. Intel Core i5 2 ГГц и Qualcomm Snapdragon 625 2 ГГц – это разные вещи. Хоть у второго ядер больше, но в тяжелых задачах он будет слабее. Поэтому саму частоту разных типов ядер сравнивать нельзя, важно учитывать еще и удельную производительность (количество выполнений инструкций за такт).

Если проводить аналогию с машинами, то тактовая частота – это скорость в км/ч, а удельная производительность – грузоподъемность в кг. Если рядом будут ехать легковушка (процессор ARM для смартфона) и самосвал (чип x86 для ПК) – то при равной скорости легковушка за раз перевезет пару сотен кило, а грузовик – несколько тонн. Если же говорить о разных типах ядер именно для смартфонов (Cortex A53, Cortex A72, Qualcomm Kryo) – то это все легковушки, но с разной вместительностью. Соответственно, тут разница уже будет не так огромна, но тоже значительная.

Читайте так же:
Для чего нужен компьютер в офисе

Сравнивать можно только тактовые частоты ядер на одинаковой архитектуре. Например, MediaTek MT6750 и Qualcomm Sanapdragon 625 содержат по 8 ядер Cortex A53. Но у МТК их частота – до 1,5 ГГц, а у Куалкомм – 2 ГГц. Следовательно, второй процессор будет работать примерно на 33% быстрее. А вот Qualcomm Snapdragon 652 хоть и имеет частоту до 1,8 ГГц, но работает быстрее модели 625, так как в нем используются более мощные ядра Cortex A72.

Что дает высокая частота процессора в смартфоне

Как мы уже выяснили, чем выше тактовая частота – тем быстрее работает процессор. Следовательно, и производительность смартфона с более высокочастотным чипсетом будет выше. Если один процессор смартфона содержит 4 ядра Kryo на 2 ГГц, а второй – 4 такие же ядра Kryo на 3 ГГц, то второй будет примерно в 1,5 раза быстрее. Это ускорит запуск приложений, сократит время включения, позволит резвее обрабатывать тяжелые сайты в браузере и т.д.

Однако, выбирая смартфон с высокими частотами процессора, следует также помнить, что чем они выше – тем больше и потребление энергии. Поэтому если производитель накрутил побольше гигагерц, но не оптимизировал устройство должным образом – оно может перегреваться и входить в «троттлинг» (принудительный сброс частот). Таким недостатком в свое время страдал, например, Qualcomm Snapdragon 810.

Принцип действия ГТЧ

Генератор тактовой частоты создает импульсы, которые впоследствии рассылаются по устройству. Они форсируют архитектуру компьютера, попутно создавая синхронизацию между отдельными элементами. То есть ГТЧ является своеобразным “командиром”, который соединяет в одну последовательность рабочие компьютерные звенья. Так вот, чем чаще генератор тактовой частоты будет создавать импульсы, тем лучшее быстродействие будет у компьютера/ноутбука/смартфона и так далее.

Логично предположить, что если генератор тактовой частоты будет отсутствовать, то синхронизации между элементами не будет. Следовательно, устройство не сможет работать. Давайте предположим, что все-таки каким-то образом нам удалось привести такое устройство к жизни. Ну и что дальше? Все части компьютера будут работать на своей частоте в разное время. И что в результате? А в результате быстродействие компьютера снижается в десятки, сотни, а то и в тысячи раз. Разве такое устройство кому-то нужно? Вот в чем и заключается роль генератора тактовой частоты.


Генератор тактовой частоты процессора

Here Вставка рисунка Описание
На графике называется прямоугольная волна импульс, импульс бить похож на человек. Для каждого прямоугольного импульса, напряжение или возрастает от 0 до максимального значения , что линия называется растет, и, наоборот, постепенно уменьшается напряжение или ток от этой линии называется спадающий фронт. Вызывается импульс процессора 时钟信号 , или 时钟脉冲 . Период импульсов называется цикл частоты процессора, один тактовый цикл колебаний тактового сигнала.

За импульса

Интервал между двумя последовательными импульсами происходит, период импульса, он является обратным по отношению к частоте, и количество импульсов в единицу времени (1 сек), полученный называется частотой.

Читайте так же:
Болит ухо после наушников что делать

Единица частоты являются: Гц (герц), кГц (килогерц), МГц (мегагерц), ГГц (гигагерц).

  • В чем 1 ГГц = 1000 МГц, 1 МГц = 1000kHz, 1кГц = 1000Гц.

Рассчитано в единицах времени и цикл импульсного сигнала, соответствующее отношение преобразования: S (секунды), мс (миллисекунды), мкс (микросекунды), нс (наносекунды)

  • Где: 1s = 1000 мс, 1 мс = 1000μs (микросекунды), 1 мкс = 1000ns.
тактовая обязательно нужно сделать?

тактовая частота процессора может иметь или не иметь часы. Использование тактовой частоты процессора называется синхронным процессором (ЦП синхронно), без использования тактовой частоты процессора, называется асинхронный процессор (асинхронный процессор). В настоящее время на рынке представлен широкий ассортимент продаж процессоров синхронны CPU. Быстрее, чем синхронный CPU асинхронного CPU, так как CPU асинхронно в ответ на вход и выход сразу, синхронизация не требуется ждать другого сигнал, с меньшими затратами времени, так что процессор быстрее, чем синхронный асинхронный процессор. Так почему большинство ЦП с тактовой образом? Потому что это асинхронный дизайн процессора является очень сложным, хотя время может быть некоторые преимущества, но если уровень наносекунды, быстро 100ns 1000ns даже для людей, которые почти незаметны, но это увеличивает сложность конструкции схемы, к Мы знаем, что логическая схема процессора Бунзена это подвиг человечества, если для того, чтобы уменьшить само время наносекунд увеличила свою сложную логическую схему, будь то время или трудовые затраты будут значительно увеличены. Поэтому дизайн процессора инженеры, конечно, больше, чем мы знаем, какой дизайн, одновременный процессор является лучшим выбором.

Почему частота процессора нужна?

Ранее мы знаем, в настоящее время на рынке, необходимость синхронизации тактовой частоты процессора CPU, частоту процессора Зачем вам это нужно?

Вот статья говорить о хорошем, потребности процессора , чтобы объяснить , почему часы: Почему именно частота процессора потребности концепции

Следующая цитата из приведенных выше статей

Во- первых, рассмотрим следующую логику:
Here Вставка рисунка Описание
Если А = В = 1, Q = 0. Когда входной сигнал изменяется, то логический элемент не будет немедленно реагировать на изменения на входе, будет задержка распространения (задержки распространения). В является 0 , когда изменение, так как XOR B также служит в качестве прямого ввода XOR ворот XOR поэтому воспринимает сразу ввести изменение состояния становится равным 0, то выход становится исключающее 1. Однако из — за задержки распространения, на выходе логической схемы И будет только на короткое время становится равным 0, выходной сигнал XOR может воспроизвести короткий промежуток времени после того, как становится равным 0 до 1. Цифра выражается как таковую:
Here Вставка рисунка Описание
выше явление называется флип (состояние гонки), а это означает , что выход есть импульсный сигнал не какая — то надежда.

Простой способ заключается в размещении одного края на выходе триггера:
Here Вставка рисунка Описание
роль триггера края вводится только тогда , когда CLK терминал изменяется от 0 до 1, терминал D ввода данных будут влиять на выходе края срабатывает флип — флоп. Таким образом, все задержки распространения будут спрятаны края флип-флоп, то выходной терминал Q становится устойчивым. Например:
Here Вставка рисунка Описание
отличающееся тем , Q , когда терминал серые участки не представляют собой выход триггера состояния края. Мы можем видеть , что, когда спусковой крючок с краем, терминал Выход Q становится стабильным, по существу , устраняет задержку распространения.

Читайте так же:
Динамика на велосипед 12 вольт

Из приведенного выше примера, мы можем видеть, почему частота процессора: подавляющее большинство существующих микропроцессоров гонит синхронную последовательную цепь, схему синхронизации и различные логические вентили. Как было сказано выше, логический элемент занимает короткий промежуток времени, чтобы реагировать (задержка распространения) изменения входного сигнала. Это необходимо, чтобы приспособить задержку распространения тактовых циклов, а тактовый период должен быть большим, чтобы вместить всю необходимую логическую задержку распространения затвора.

Конечно, есть Asynchronous последовательной логики, то есть, не нужно синхронизировать тактовый сигнал. Но хотя это асинхронная логическая схема быстрее, чем синхронная последовательная цепь, но это сложнее, чем дизайн синхронной последовательная цепь, и будет соответствовать сказанному флипу явление (состояние гонки), так что теперь подавляющее большинство тактовой частоты процессора по-прежнему необходимо сделать синхронизацию сигнала.

Как частота процессора генерируется?
Для того, чтобы знать, что осциллятор

частота процессора сигнал представляет собой импульс, то , что он может производить импульсы , которые осциллятор. В логической схеме, НЕ — вентиль соединен конец к концу , чтобы сформировать генератор. Помните следующий символ NAND затвора этой фигуры.
Here Вставка рисунка Описание
До тех пор , как логический элемент соединен с выходом и входом может представлять собой генератор.
Here Вставка рисунка Описание
Выше , представляет собой принципиальную схему логической генератора, генератор является следующим способом.
Here Вставка рисунка Описание
Вот как эта вещь работает? В понимании того, как этот осциллятор работе прежде, необходимо знать , что это нормально замкнутые контакты реле. Почему вы должны знать , нормально замкнутый контакт реле? Из-за логического элемента осуществляется через нормально замкнутые контакты реле , чтобы достичь. Цифра нормально закрытый электромагнитные контакты реле.
Here Вставка рисунка Описание
Мы знали , что в младших классах средней школы физики, магнетизме электричества, вокруг ток создает магнитное поле, чтобы иметь возможность быть в состоянии сделать электричество CRC генерируется магнитное железо, которое является электромагнитом. Фигура катушка имеет большую, до тех пор , как обоих концы катушки, с определенным напряжением, катушка проходит через постоянный ток , чтобы произвести электромагнитный эффект, якорь будет преодолеть пружину электромагнитной силы , действующей на привлечение Назад натяжение притягивается к ядру, таким образом , чтобы управлять подвижным контактом и нормально замкнутым контакт, разделением нормально открытым контактом , соединенным. Когда сила катушки, электромагнитные всасывания исчезли, якорь будет возвращаться в исходное положение под силой реакции пружинной, так что подвижный контакт и нормально замкнутый контакт обратно, нормально открытое размыкание контактов. Такое реле нормально замкнутый контакт логический элемент. 1 , как это вход, 0 выводится.

Теперь ситуация выключатель питания, разделение якоря, выключатель питания, плунжер закрывается, так что колебание можно только один раз, чтобы думать, если его выход в качестве входных данных, он может быть выделен, закрытые, отделенные, . замкнута, до тех пор, как источник питания , он всегда может идти колебание. Мы называем это как выход из нормально замкнутых контактов реле рядом вход называется осциллятором.

Поэтому, когда путь питания, привлекает Tiebi названия, схема отключается. Когда цепь разомкнута, потеряли свою привлекательность, указанное в заголовке Tiebi положение восстановления, схема снова включается. Таким образом, выходной сигнал из генератора чередуется между 0 и 1 изменений, так что будет производить один импульс, как показано ниже.
Here Вставка рисунка Описание
Вы можете спросить, что эта вещь медленно и большая, как он может быть использован как часть процессора?

Читайте так же:
Вай фай в метро петербурга

Действительно, эта вещь не может быть поставлена ​​в процессор. Он сказал, что большой парень, но для того, чтобы лучше понять, что это осциллятор, который помогает понять содержание спины.

То есть полагаться на процессор для генерации тактового импульса сделай? Генерация импульсов генератора должно быть, но в ЦП, генератор не зависит от электромагнитов, чтобы достичь. Процессор представляет собой ИС (интегральная схема), который генерируется с помощью генератора тактовых импульсов.

Редактирование файла boards.txt

Перейдите в каталог Arduino_dirhardwarearduinoavr, где Arduino_dir — это каталог, в который установлена среда разработки Ардуино. У меня этот путь выглядит так: d:Arduinoarduino-1.6.12hardwarearduinoavr. Перед внесением изменений в файл boards.txt я рекомендую сделать его резервную копию. Теперь открываем файл boards.txt в текстовом редакторе (подойдет notepad++ или другой, поддерживающий кодировку UTF-8, чтобы не было проблем с отображением русских букв в IDE Ардуино) и добавляем в него строку menu.clock=Тактирование

Редактирование boards.txt Ардуино

Затем находим секцию для Ардуино Уно (я опишу порядок действий применительно к Ардуино Уно, но таким же образом можно скорректировать секции других плат с поправкой на микроконтроллер):

Редактирование boards.txt Ардуино

  1. скорость загрузки — uno.upload.speed;
  2. значения фьюзов — uno.bootloader.low_fuses, .high_fuses, .extended_fuses;
  3. имя файла загрузчика — uno.bootloader.file;
  4. частоту микроконтроллера — uno.build.f_cpu.

uno.menu.clock.external16=Внешний резонатор 16МГц
uno.menu.clock.external16.upload.speed=115200
uno.menu.clock.external16.bootloader.low_fuses=0xFF
uno.menu.clock.external16.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.external16.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.external16.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328.hex
uno.menu.clock.external16.build.f_cpu=16000000L

uno.menu.clock.internal8=Внутренний RC-генератор 8МГц
uno.menu.clock.internal8.upload.speed=57600
uno.menu.clock.internal8.bootloader.low_fuses=0xE2
uno.menu.clock.internal8.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.internal8.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.internal8.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328_8.hex
uno.menu.clock.internal8.build.f_cpu=8000000L

uno.menu.clock.internal1=Внутренний RC-генератор 1МГц
uno.menu.clock.internal1.upload.speed=4800
uno.menu.clock.internal1.bootloader.low_fuses=0x62
uno.menu.clock.internal1.bootloader.high_fuses=0xDE
uno.menu.clock.internal1.bootloader.extended_fuses=0xFF
uno.menu.clock.internal1.bootloader.file=optiboot/optiboot_atmega328_1.hex
uno.menu.clock.internal1.build.f_cpu=1000000L

Для наглядности я приведу скриншот моего файла boards.txt, каким он был и каким стал после выполнения описанных изменений:

Редактирование boards.txt Ардуино

Таким образом мы описали меню из трех пунктов, для каждого из них указали скорость загрузки скетчей, значения фьюзов, имя файла загрузчика (об этом чуть позже) и частоту микроконтроллера. При помощи онлайн калькулятора вы можете расшифровать приведенные значения фьюзов и увидеть, как происходит выбор источника тактирования. И что для получения тактовой частоты 1МГц при работе от внутреннего RC-генератора используется деление частоты на 8 (фьюз CKDIV8).

Сохраните файл в кодировке UTF-8 без BOM и запустите IDE. Если все сделано правильно, то при выборе платы Arduino Uno вам станет доступно меню Инструменты->Тактирование. Но этих изменений пока еще мало. Если сейчас выбрать в меню, например, Внутренний RC-генератор 8МГц и выполнить запись загрузчика, то новые значения фьюзов, конечно, запишутся в микроконтроллер и он начнет работать с внутренним RC-генератором. Но мы потеряем возможность загружать в Ардуино новые скетчи, потому что записанный в нее загрузчик рассчитан на частоту 16МГц. Выход — скомпилировать загрузчик для работы на частотах 8МГц и 1МГц. Если у вас нет желания заморачиваться с компиляцией загрузчика, то можете скачать уже скомпилированные файлы отсюда, поместить их в каталог Arduino_dirhardwarearduinoavrbootloadersoptiboot и перейти к пункту Изменение частоты и источника тактирования Ардуино. А кому интересно могут скомпилировать их самостоятельно. О том как это сделать описано далее.

Читайте так же:
Версия linux для слабых компьютеров

Конечно, максимального результата можно достичь, просто-напросто приобретя новый процессор, имеющий повышенную тактовую частоту. Однако это не всегда возможно в финансовом плане, а значит, вопрос о том, как увеличить тактовую частоту процессора без вложения дополнительных средств в это дело, остается открытым.

Говоря в двух словах, разгон процессора совершается не за счет сторонних программ. Это, как и в случае с разгоном видеокарты, откровенная чушь. На самом деле улучшить работу процессора можно, выставив соответствующие настройки в BIOS.

Тактирование микроконтроллера

Тактовая частота микроконтроллера это количество тактов в секунду которые выполняет микроконтроллер. Получается чем больше тактовая частота МК тем большее количество операций он может выполнить за 1 секунду.

К примеру тактовая частота в 8 МГц означает что МК за 1 секунду выполнить 8000000 различных операций таких как сложение, вычитание, запись данных в регистры и чтение данных т.д. Такая частота кажется довольно большой но как показывает практика это далеко не так, к примеру частота тактирования современных процессора компьютера составляет уже от 2 ГГц, а некоторые модели уже имеют частоту в 4 ГГц.

  • использовать внутренний RC-генератор;
  • использовать внешний кварц;
  • использовать внешний генератор;
  • использовать RC-цепочку.

Давайте в вкратце рассмотрим каждый из этих способов тактирования микроконтроллера. Выбор того или иного способа осуществляется путем выставления фьюз битов микроконтроллера.

Тактирование микроконтроллера от внутреннего RC генератора

При этом способе нам не нужно подключать какие либо внешние детали. Тактирование осуществляется от RC генератора который находится внутри и который может работать на частотах 1,2,4,8 МГц. А если вам требуется какая нибудь другая частота, то этот способ не подходит. Так же этот способ не подойдет если вам нужны точные интервалы времени, дело в том что задающая частота RC генератора плавает в зависимости от температуры.

Тактирование микроконтроллера от внешнего кварцевого резонатора

Внешний вид кварцевого резонатора на 8 МГц

Этот способ несколько сложнее, для того чтобы его подключить нам нужно знать расположение выводов микроконтроллера и их название, далее находим выводы «XTAL1» и «XTAL2».

Тактирование микроконтроллера от внешнего кварцевого резонатора

Схема подключения кварцевого резонатора к микроконтроллеру

taktirovanie-mikrokontrollera1

Емкость конденсаторов должана быть в интервале от 15 до 22 пФ, один вывод подсоединятеся к резонатору а другой к земле.

Тактирование микроконтроллера от RC-цепочки

В представленной схеме тактирования конденсатор берется емкостью не менее 22 пФ, а резистор от 10 Ом до 100 кОм. Внешний RC генератор так же как и внутренний имеет нестабильную частоту которая «плавает » в зависимости от температуры. Но если в проектах не нужна стабильная частота то можно использовать эти два способа.

taktirovanie-mikrokontrollera2

Частота тактирования рассчитывает по формуле

F-это частота в Герцах;

R- номинал сопротивления в Ом;

C — емкость конденсатора в Фарадах.

По дефолту все МК AVR (за исключением страх AT90S2313 и AT90S8535 и другие) настроены так чтобы испольщовать внутренний тактовый генератор. Получается как только мы подаем на него напряжение то МК сразу начинает работать.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector