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