Taktowanie mikroprocesorów

Jednostka sterująca mikroprocesora jest układem

sekwencyjnym synchronicznym, czyli wymagającym

sygnału taktującego (zegarowego).

Z taktowaniem mikroprocesora związane są trzy pojęcia:

●

sygnał zegarowy

●

cykl maszynowy

●

cykl rozkazowy

cykl maszynowy

cykl rozkazowy

sygnał zegarowy

Taktowanie mikroprocesorów

●

sygnał zegarowy – wyznacza rytm wykonywania

najbardziej elementarnych operacji mikroprocesora

(zatrzaśnięcie informacji w rejestrze, zmianę stanu

sygnału RD, itp.)

●

cykl maszynowy – jest wykonaniem pewnej
niepodzielnej operacji związanej z przesłaniem
informacji z/do pamięci czy układów we/wy; w
normalnych warunkach trwa ustaloną liczbę (np. 3) cykli
sygnału zegarowego

●

cykl rozkazowy – składa się z jednego lub kilku cykli
maszynowych i określa czas niezbędny do wykonania
rozkazu

Taktowanie mikroprocesorów

Przykład 1: rozkaz CPL A w µP 80C320

A15-A8

A7-0

rozkaz

CLK

ALE

PSEN

P0

P2

cykl maszynowy

cykl rozkazowy

Taktowanie mikroprocesorów

Przykład 2: rozkaz ANL A,#0FH w µP 80C320

PC

PC

rozkaz

CLK

ALE

PSEN

P0

P2

cykl maszynowy

PC+1

PC+

1

0FH

cykl maszynowy

cykl rozkazowy

Taktowanie mikroprocesorów

Przykład 3: rozkaz MOVX @DPTR,A w µP 80C320

PC

PC

MOVX

CLK

ALE

PSEN

P0

P2

cykl maszynowy

PC+1

PC+

1

rozkaz

cykl maszynowy

cykl rozkazowy

DPH

DPL

A

WR

cykl maszynowy

Taktowanie mikroprocesorów

Przykład 4: taktowanie 8051

CLK

ALE

PSEN

cykl maszynowy

cykl maszynowy

WR

Układy taktowania mikroprocesorów

Metody taktowania mikrokontrolerów:

●

wbudowany generator + rezonator kwarcowy

●

wbudowany generator + rezonator ceramiczny

●

wbudowany generator + układ RC

●

wbudowany generator bez elementów zewnętrznych

●

generator zewnętrzny

Taktowanie – rezonatory

XTAL1

XTAL2

33pF

33pF

Dla rezonatorów ceramicznych zwykle C = 47pF

XTAL2

XTAL1

Dla częstotliwości powyżej ok. 25 MHz wymagane

specjalne rozwiązania (układy LC)

Taktowanie – układy RC

22

4.30

8.60

47

3.00

5.70

100

1.90

3.40

220

1.10

1.90

470

0.55

0.95

R

NET

[k©]

f

OSC

[MHz] (±20%)

3VdV

DD

?3.6V 4.5VdV

DD

?6V

Taktowanie – generatory zewnętrzne

Parametry czasowe przebiegu taktującego

t

CLCL

t

CHCX

t

CLCX

t

CHCL

t

CLCH

XTAL2

XTAL1

generator

zewnętrzny

Częstotliwości taktowania

Mikroprocesory mogą być taktowane sygnałami o

częstotliwości mieszczącej się w pewnym zakresie.

●

przez zastosowanie większych częstotliwości uzyskuje

się zwiększenie mocy obliczeniowej (wydajności)
mikroprocesora

●

przez zastosowanie niższych częstotliwości uzyskuje

się zmniejszenie poboru mocy i zmniejszenie zakłóceń

Niskie częstotliwości taktowania

Zalety:

●

zmniejszenie poboru mocy

●

możliwość dalszego obniżenia poboru mocy przez

zastosowanie niższego napięcia zasilania

●

mniejszy poziom zakłóceń

Wady i ograniczenia:

●

zmniejszenie mocy obliczeniowej mikroprocesora

●

ograniczenia związane z dynamiczną konstrukcją

układów logicznych mikroprocesora

●

ograniczenia związane z nieprawidłowym działaniem

niektórych układów peryferyjnych

Niskie częstotliwości taktowania

Zależność prądu zasilania od częstotliwości taktującej

I

C

C

[

m

A

]

f

OSC

[MHz]

Max Active Mode

Typ Active Mode

Max Idle Mode

Typ Idle Mode

I

CC(MAX)

= 1.0mA + 0.9mA x f

OSC

[MHz]

Niskie częstotliwości taktowania

Bramki dynamiczne CMOS typu domino

Φ

A

B

D

E

C

Y=AB+C(D+E)

V

DD

V

DD

Φ = 0 – wstępne ładowanie (wyjście bufora = 0)

Φ = 1 – obliczenie wartości funkcji (wyjście bufora = Y)

zalety:

●

mała powierzchnia

●

szybka propagacja sygnałów

●

prostota sterowania (jedna faza)

Wysokie częstotliwości taktowania

Zalety:

●

zwiększenie mocy obliczeniowej (wydajności)

mikroprocesora
Wady i ograniczenia:

●

zwiększenie poboru mocy – zwiększenie ilości

wydzielanego ciepła

●

zwiększenie zakłóceń

●

zwiększenie wymagań na szybkość działania układów

zewnętrznych

●

ograniczeniem częstoliwości jest szybkość

przeładowywania pojemności w układzie
mikroprocesora

Wysokie częstotliwości taktowania

Wymagania czasowe układu mikroprocesora

RD

DATA

ADDR

t

PXIZ

t

AVIV

t

PLIV

Wysokie częstotliwości taktowania

Parametry czasowe układów pamięci

OE

DATA

ADDR

t

DF

t

ACC

t

OE

CE

t

CE

Np. dla układów EPROM -70, firmy Atmel:

t

CE

= 70ns, t

OE

= 30ns, t

ACC

= 70ns, t

DF

= 30ns

Wysokie częstotliwości taktowania

Wymagania na parametry

czasowe:

●

t

ACC

< t

AVIV

●

t

OE

< t

PLIV

lub t

CE

< t

PLIV

●

t

DF

< t

PXIZ

µP

D7

A13

RD

A13

A0

CE

OE

D7 D0

A0

A14

A15

D0

Wysokie częstotliwości taktowania

µP

D7

A13

RD

A13

A0

CE

OE

D7 D0

A13

A0

CE

OE

D7 D0

A0

A14

A15

D0

1

2

dekoder adresowy

t

PROP

Wysokie częstotliwości taktowania

Wymagania na parametry

czasowe:

●

t

ACC

< t

AVIV

●

t

OE

< t

PLIV

●

t

DF

< t

PXIZ

●

t

CE

+ t

PROP

< t

AVIV

Wysokie częstotliwości taktowania

µP

AD7-AD0

A15-A8

RD

WR

ALE

D7-D0

A15-A8

LE

I

O

Wysokie częstotliwości taktowania

Wymagania czasowe mikroprocesora 80C320

ALE

PSEN

P0

P2

t

LHLL

t

AVLL

t

LLAX

t

PXIZ

t

AVIV1

t

AVIV2

t

PLIV