Atmega128, atmega128l - генерация тактовых импульсов

Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора

Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.

Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.

Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды

Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения

На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.

Однако, к примеру, в телекоммуникационной отрасли важны обе стабильности, поэтому появилась разновидность клоков, в которых используются рубидиевые генераторы, чтобы обеспечить кристаллам хорошую долгосрочную стабильность. Сейчас аудиомир захватила идея «атомных генераторов тактовых импульсов» (atomic clock), и, несмотря на тот факт, что долговременная точность не имеет значения для аудио, атомные клоки наделали немало шума как на аудиофильском, так и на профессиональном аудиорынке.

Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.

На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.

Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).

Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.

Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.

Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.

В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой

Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные типы генераторов.

Классический

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции — низкая стабильность. Плюс — предельная простота.

Кварц + микросхема генерации

Микросхема генерации представляет собой специальную микросхему, которая при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Данное решение используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась коэффициентом умножения).

Программируемая микросхема генерации

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором (частота — 14,3 МГц), она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP — 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2 используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

Кварцевые и керамические резонаторы

Если вам нужна действительно высокая точность и стабильность без дополнительных затрат на микросхему генератора на основе кварцевого резонатора, выбирайте вариант с одиночным кварцевым резонатором. На рынке широко доступны компоненты с допуском менее 20 миллионных долей (т.е. 0,002%). Схема генератора, показанная выше, частично интегрирована в микроконтроллеры, которые поддерживают конфигурацию с отдельным кварцем; вам нужно будет только обеспечить правильные нагрузочные конденсаторы. Общая емкость нагрузки (C_{нагр.общ.}) указывается в техническом описании на кварцевый резонатор, а нагрузочные конденсаторы выбираются следующим образом:

где C_пар. представляет любую паразитную емкость. Этот расчет на практике довольно прост: выберите разумное значение для C_пар. (скажем, 5 пФ), вычтите его из C_{нагр.общ.}, и затем умножьте результат на два. Таким образом, если техническое описание указывает нагрузочную емкость 18 пФ, мы имеем

Керамические резонаторы менее точны, чем кварцевые; допуски обычно составляют от 1000 до 5000 милилонных долей. Они могут сэкономить вам несколько центов, если вам не нужна точность кварца. Но, на мой взгляд, главное преимущество заключается в том, что вы можете получить керамические резонаторы со встроенными нагрузочными конденсаторами.

Ссылки [ править ]

^ FM1600B Микросхема компьютера Ferranti Digital Systems . Бракнелл, Беркшир, Великобритания: Ferranti Limited , Департамент цифровых систем. Октябрь 1968 года . Перечислите DSD 68/6. Архивировано из оригинала на 2020-05-19 . Проверено 19 мая 2020 .
↑ Двухфазные часы. Архивировано 9 ноября 2007 года на Wayback Machine.
^ Двухфазное неперекрывающихся тактовый генератор , Tams-www.informatik.uni-hamburg.de, архивируются с оригинала на 2011-12-26 , извлекаться 2012-01-08
^ Основные понятия в цифровой обработки изображений — Две фазы CCD Clocking , Micro.magnet.fsu.edu , извлекаться 2012-01-08
^ Cell cgf104: Двухфазный Неперекрывающиеся тактовый генератор , Hpc.msstate.edu, архивируются с оригинала на 2012-02-08 , извлекаться 2012-01-08
^ «Как управлять микропроцессором» . Электроника . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. 49 (8): 159. 15 апреля 1976 г.Отдел компонентов Motorola продавал гибридные ИС, в состав которых входил кварцевый генератор. Эти микросхемы генерировали двухфазные неперекрывающиеся сигналы, необходимые для 6800 и 8080. Позже Intel произвела тактовый генератор 8224, а Motorola произвела MC6875. Intel 8085 и Motorola 6802 включают эту схему на микросхеме микропроцессора.
^ «Intel’s Higher Speed 8080 μP» . Микрокомпьютерный дайджест . Купертино, Калифорния: Microcomputer Associates. 2 (3): 7. Сентябрь 1975 г.
^ Основные понятия в области цифровой обработки изображений — Четыре фазы CCD Clocking , Micro.magnet.fsu.edu , извлекаться 2012-01-08
^ Норман П. Джуппи и Джеффри YF Тан.«Поддерживаемый 32-разрядный CMOS-микропроцессор на 20 MIPS с высоким соотношением стабильной и максимальной производительности» . 1989. CiteSeer x 10.1.1.85.988
p. 10.
↑ Ананд Лал Шимпи (2008), Intel Atom Architecture: Путешествие начинается
^ Пол В. Болотов (2007), Alpha: история в фактах и комментариях , в архиве с оригинала на 2012-02-18 , извлеченной 2012-01-03 , мощности , потребляемой подсистемой тактовой EV6 составляла около 32% от общая мощность ядра. Для сравнения, это было около 25% для EV56, около 37% для EV5 и около 40% для EV4.

Что такое генератор тактовых импульсов?

Человечество на современном этапе не может обойтись без использования цифровых технологий. Компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, фотоаппараты, часы и многочисленные иные гаджеты, которые стали так привычны и незаменимы, имеют в своей основе электронные компоненты, одной из важнейших характеристик функционирования которых является тактовая частота. Это последовательность импульсов (обычно прямоугольной формы), которая определяет порядок и скорость выполнения операций устройства.

Работа тактового генератора основана на принципе самовозбуждения электронной схемы, охваченной петлёй положительной обратной связи. Технические решения конструкционно могут быть самыми разными: применяются транзисторы (как правило, в составе специализированных чипов), туннельные диоды и иные компоненты с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Обычный приём разработчиков аппаратуры на цифровых интегральных микросхемах – использование нескольких инверторов, соединённых последовательно, а для создания сдвига фаз и настройки периода колебания служит RC-цепочка.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Источник

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
CN102300235A (zh) *	2010-06-28	2011-12-28	中兴通讯股份有限公司	一种主备时钟同步的装置及方法
CN102611491B (zh) *	2011-01-21	2015-03-18	华为技术有限公司	基站时钟装置、基站系统和时钟同步方法
JP5770309B2 (ja)	2011-01-26	2015-08-26	華為技術有限公司ＨｕａｗｅｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．	時間同期を実施する方法及び装置
CN105515710B (zh) *	2011-01-26	2019-05-24	华为技术有限公司	一种实现时间同步的方法和装置
US9036544B2 (en) *	2011-10-25	2015-05-19	Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ)	Delay compensation during synchronization in a base station in a cellular communication network
CN102870345B (zh)	2012-06-30	2015-04-29	华为技术有限公司	多发多收微波设备载波频率的调整方法和设备
EP3096580B1 (en) *	2015-05-22	2018-08-01	ASUSTek Computer Inc.	Method and apparatus for implementing reference signal transmissions in a wireless communication system
CN107493599B (zh) *	2016-06-12	2021-04-02	中兴通讯股份有限公司	通过基带射频接口实现基站设备间时间同步的方法、装置和系统
CN107493600B (zh) *	2016-06-13	2021-07-23	中兴通讯股份有限公司	一种massive MIMO通讯装置及同步方法
CN108111243B (zh) *	2016-11-25	2020-08-04	南京中兴软件有限责任公司	时钟传递系统及对应的时钟同步处理方法和装置
CN106792907B (zh) *	2016-12-23	2019-08-20	武汉虹信通信技术有限责任公司	一种基于天线接口的lte基带处理单元实时调度方法
CN107809396A (zh) *	2017-12-05	2018-03-16	郑州云海信息技术有限公司	一种业务调度方法及装置
CN111867045A (zh) *	2020-06-19	2020-10-30	联想(北京)有限公司	一种小区间时钟同步的方法、装置及系统
WO2022016312A1 (zh) *	2020-07-20	2022-01-27	哈尔滨海能达科技有限公司	一种cpri传输数据的时钟同步方法及相关装置

Роль тактового генератора

Для взаимодействия различных узлов цифровых устройств необходима синхронизирующая привязка к единому циклическому процессу. Считая количество тактов эталонной частоты, можно отмерять временные интервалы и управлять моментами начала той или иной операции. Базовый генератор определяет частоту функционирования центрального процессора. На ней же основывается алгоритм работы шин компьютера (PCI, SATA, оперативной памяти).

Для понижения частоты в два раза, достаточно одного триггера. Если же их несколько, из них, комбинируя связи, можно организовать счётчик с заданным коэффициентом деления. Так формируются импульсы с определёнными временными параметрами, по фронту или спаду которых срабатывают те или иные узлы процессора и оперативной памяти. Отработка элементарной инструкции в зависимости от её типа может занимать от одного до нескольких десятков тактов. Таким образом, от выбора тактовой частоты напрямую зависит быстродействие компьютера.

Последний и наименее распространенный…

Существует не так много ситуаций, когда требуется генератор на внешних резисторе-конденсаторе или только на конденсаторе. Если по какой-то причине вам не подходят варианты внешних генераторов, рассмотренные выше, выбирайте микроконтроллер с внутренним генератором и используйте его. Однако, если вы полны решимости откопать один или два пассивных компонента из своей коробки запчастей, обратитесь к техническому описанию микроконтроллера за инструкциями по подключению и проектированию схемы генератора. Ниже показаны примеры подключения компонентов, взятые из технического описания на микроконтроллеры C8051F12x – 13x от Silicon Labs:

Варианты использования внешних резисторов и конденсаторов для создания схемы тактового генератора микроконтроллера

И вы можете обратиться к этого же технического описания для получения информации о выборе значений компонентов.

Другие схемы [ править ]

Некоторые чувствительные схемы со смешанными сигналами , такие как прецизионные аналого-цифровые преобразователи , в качестве тактовых сигналов используют синусоидальные волны, а не прямоугольные, поскольку прямоугольные волны содержат высокочастотные гармоники, которые могут мешать аналоговой схеме и вызывать шум . Такие синусоидальные часы часто являются дифференциальными сигналами , потому что этот тип сигнала имеет вдвое большую скорость нарастания и, следовательно, половину неопределенности синхронизации, чем несимметричный сигнал с тем же диапазоном напряжений. Дифференциальные сигналы излучают менее сильно, чем одиночная линия. В качестве альтернативы можно использовать одиночную линию, экранированную линиями питания и заземления.

В схемах CMOS емкости затвора постоянно заряжаются и разряжаются. Конденсатор не рассеивает энергию, но энергия теряется в управляющих транзисторах. В обратимых вычислениях , индукторы могут быть использованы для хранения этой энергии и уменьшить потери энергии, но они имеют тенденцию быть довольно большим. В качестве альтернативы, используя синусоидальные часы, передающие вентили CMOS и методы энергосбережения, можно снизить требования к мощности. [ необходима цитата ]

Распространение [ править ]

Самый эффективный способ передать тактовый сигнал каждой части микросхемы, которая в нем нуждается, с наименьшим перекосом, — это металлическая сетка. В большом микропроцессоре мощность, используемая для управления тактовым сигналом, может составлять более 30% от общей мощности, используемой всей микросхемой. Вся конструкция с воротами на концах и всеми усилителями между ними должна загружаться и разгружаться каждый цикл. Для экономии энергии стробирование часов временно отключает часть дерева.

Сеть распределения часов (или дерево часов , когда эта сеть образует дерево) распределяет тактовый сигнал (сигналы) из общей точки на все элементы, которые в нем нуждаются

Поскольку эта функция жизненно важна для работы синхронной системы, большое внимание было уделено характеристикам этих тактовых сигналов и электрических сетей, используемых в их распределении. Тактовые сигналы часто рассматриваются как простые управляющие сигналы; однако у этих сигналов есть некоторые очень особые характеристики и атрибуты

Тактовые сигналы обычно загружаются с наибольшим разветвлением и работают на самых высоких скоростях любого сигнала в синхронной системе. Поскольку сигналы данных снабжаются временной привязкой с помощью тактовых сигналов, формы тактовых сигналов должны быть особенно чистыми и четкими. Кроме того, на эти тактовые сигналы особенно влияет масштабирование технологий (см . Закон Мура ) в этом длинном глобальном межсоединении.линии становятся значительно более резистивными при уменьшении размеров линий. Это повышенное сопротивление линии является одной из основных причин возрастающего значения распределения тактовых импульсов для синхронной работы. Наконец, контроль любых различий и неопределенности во времени прихода тактовых сигналов может серьезно ограничить максимальную производительность всей системы и создать условия катастрофической гонки, в которых неправильный сигнал данных может зафиксироваться в регистре.

Большинство синхронных цифровых систем состоят из каскадных банков последовательных регистров с комбинационной логикой между каждым набором регистров. В функциональные требования цифровой системы удовлетворены логических этапов. Каждый логический этап вносит задержку, которая влияет на временные характеристики, и временные характеристики цифрового проекта могут быть оценены относительно временных требований с помощью временного анализа

Часто необходимо уделять особое внимание соблюдению сроков. Например, глобальные требования к производительности и локальной синхронизации могут быть удовлетворены путем тщательной вставки конвейерных регистров в равные промежутки времени для удовлетворения критических временных ограничений наихудшего случая.

Правильный дизайн сети распределения часов помогает обеспечить выполнение критических требований по времени и отсутствие условий гонки (см. Также рассогласование часов ).

Компоненты задержки, составляющие общую синхронную систему, состоят из следующих трех отдельных подсистем: элементов памяти, логических элементов и схемы синхронизации и распределительной сети.

Новые структуры в настоящее время находятся в стадии разработки, чтобы решить эти проблемы и предоставить эффективные решения. Важные области исследований включают методы резонансной синхронизации, встроенные оптические соединения и методы локальной синхронизации.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.