¿Cómo se elige la frecuencia?

I. La mayor parte del chip de tiempo utilizará diferentes frecuencias para diferentes partes del chip. Hoy en día, incluso la mayoría de los microcontroladores básicos de 0,5 $ tienen un esquema de reloj bastante complicado (por lo menos merece un capítulo separado en la hoja de datos). Por lo tanto, la frecuencia de reloj se elegirá en bases bloque por bloque.

II. En qué etapa de la frecuencia de diseño se elige:

a) Yo diría que la mayor parte del tiempo es en la etapa inicial. Uno tendría requisitos (ejemplo: tener que decodificar video HD). Sobre esa base, se elegiría la arquitectura teniendo en cuenta las compensaciones de energía / tecnología / costo (área). Una de las salidas de la decisión de arquitectura es la frecuencia de reloj.

b) Pero algunas veces la decisión temprana es subóptima / incorrecta. Así que se están haciendo modificaciones. Sin embargo, esto puede ser costoso, ya que generalmente diferentes partes del chip están diseñadas en paralelo. Cambiar un reloj puede activar el rediseño de otro bloque (debido a la interfaz y la fuente del reloj en sí). Yo diría que por esta razón se evita esto. Por supuesto, es más fácil para un bloque cambiar la frecuencia del reloj que para otro, por lo que "su millage puede variar".

c) En la última etapa del lugar y la ruta (esta es una de las últimas etapas antes de enviar el chip a la fábrica) a veces uno puede tener problemas para cerrar el cronograma / presupuesto de potencia (es decir, hacer que el diseño funcione a una frecuencia / potencia específica) por lo que se toma la decisión de bajar la frecuencia de reloj. Esto definitivamente se evita ya que esto significa no cumplir con algunas de las especificaciones de marketing. Pero algunas veces es mejor ser más rápido en el mercado que realizar un rediseño, lo que en esta etapa será realmente costoso y consumirá mucho tiempo.

Pero hay más:

d) Algunas veces, la decisión de frecuencia de reloj se toma después de la fabricación (si ciertas disposiciones en el diseño se hacen de antemano). Debido a la variabilidad de la fabricación, algunos chips resultan mejor que otros. De lo que se puede realizar un agrupamiento, ordene los chips en función de la frecuencia máxima con la que puedan trabajar de manera confiable y véndalos más rápido con prima. Yo diría que esto es utilizado principalmente por los proveedores de procesadores de PC.

e) En ocasiones, los chips listos están sincronizados en el equipo final para ahorrar energía (popular en la unidad de control de temperatura) si la potencia de procesamiento requerida es inferior al máximo permitido desde el chip.

f) En algunos diseños modernos el reloj puede ajustarse dinámicamente. Luego, el reloj se cambia en el campo según la carga para ahorrar energía.

III. Entonces, ¿cómo se elige la frecuencia y por qué algunas veces el diseño que funciona a menor velocidad tendrá una mayor capacidad de procesamiento?

Oh, chico, hay tantas variables, así que esta es una disciplina de ingeniería en sí misma. Usted tiene en cuenta los requisitos de marketing, tecnología, costo, EMI, energía, estándares admitidos, requisitos de IO, etc., etc.

Pero, básicamente, uno puede limitarse a seguir esto: para lograr un rendimiento dado, uno puede tener un reloj más rápido (hacer las cosas en serie uno tras otro) o hacer cosas en paralelo a un reloj más bajo al costo de usar más transistores. Debido a algunos factores, principalmente el bloqueo de la tubería / la latencia de la memoria, a veces es mejor usar más transistores que un reloj más rápido.

En la arena incrustada, a menudo se elige una frecuencia específica debido a las restricciones con los periféricos del microcontrolador. Por ejemplo, un cristal de 1.8432 MHz (o un múltiplo de esta frecuencia, como 18.432 MHz) se puede usar porque esta frecuencia base dividida por 16 da como resultado una velocidad de 115.200 baudios para un UART. 32768 Hz se usa a menudo para aplicaciones de microcontroladores de baja potencia porque se divide fácilmente en 1 Hz para el cronometraje.

Aquí hay una lista de varias frecuencias de cristal y la razón por la que existen. Los que se enumeran en el "reloj UART" a menudo se seleccionan para los microcontroladores por el motivo que se mencionó anteriormente; el específico elegido depende de los circuitos del BRG (generador de velocidad en baudios) y la (s) velocidad (s) en baudios deseada.

En realidad, la potencia disipada por un circuito CMOS es una suma del consumo de energía estático (causado por corrientes de fuga) y el consumo de energía dinámico (consumido solo cuando los transistores están cambiando el estado lógico). Esta última es una función de la frecuencia de conmutación.

Aquí hay una excelente nota de aplicación de TI que la describe con más detalle: enlace

Dijo que, por lo general, es la mejor idea seleccionar una frecuencia de reloj más baja. Sin embargo, a veces tiene más sentido utilizar una frecuencia de reloj más alta, por ejemplo, por ejemplo. el manejador de interrupciones puede terminar su tarea más rápido y cambiar la CPU al modo de ahorro de energía entre interrupciones.

Como se mencionó anteriormente, la gente hace concesiones de velocidad frente a poder.

Al final del mercado, de alto rendimiento, es más complejo. En el caso de Intel, existen problemas en competencia. ¿Qué tan rápido puedo hacer que el silicio funcione? depende - para ejecutar una instrucción toma varios relojes - Como ejemplo (muy) simple, podría ser capaz de construir un canal de 4 relojes / instrucciones que marca a 1GHz y un canal de 6 relojes / instrucciones que marca a 1.25GHz. 1 instrucción en cada reloj y la tubería de 6 relojes / instrucciones será más rápida

En el mundo real, aunque ocurren cosas como burbujas en la tubería, cuantas más etapas de tubería tenga, más relojes perderá cuando tenga que rellenar la tubería. una gran cantidad de puntos de referencia) el tubo de 6 relojes podría tardar 2 relojes para retirar todas las instrucciones en comparación con los 1,5 relojes para el diseño de la etapa de 4 tubos; 2).

Por supuesto, es difícil para los hombres de marketing vender cosas como esta: la gente está tan acostumbrada a que "más GHz significa más rápido"

Otra consideración es EMC / EMI: compatibilidad electromagnética / interferencia electromagnética.

Por ejemplo, las señales digitales de alta velocidad pueden crear radiaciones de RF no intencionadas (de frecuencia de onda larga a microondas) que pueden ser una fuente de interferencia para el uso de RF con licencia. Esto incluye radio AM (MW) de difusión, transmisión de televisión, teléfonos celulares, receptores de GPS y otros circuitos electrónicos.

De hecho, a altas velocidades, las trazas largas (de cobre) en una placa de circuito impreso (PCB) pueden actuar como antenas, tanto para transmitir como para recibir. Por ejemplo, un circuito mal distribuido podría fácilmente recibir suficiente interferencia si un teléfono móvil está ubicado demasiado cerca de la placa de circuito para bloquear un sistema.

Los satélites también deben considerar la radiación ionizante (es decir, las partículas gamma), una solución requiere el uso de IC endurecidos por radiación que pueden funcionar solo a velocidades limitadas debido al proceso de fabricación.

Debido a esto, los productos comerciales tienen que pasar por las pruebas de EMC / EMI antes de poder ser vendidos al mercado general.