Wykład 2:
Sygnały zegarowe

Mariusz Chilmon
m.chilmon@amw.gdynia.pl
uc.vmario.org

Układy asynchroniczne i synchroniczne

Układy asynchroniczne

Układy asynchroniczne

• szybkie
• energooszczędne
• trudne w projektowaniu

Układy synchroniczne

Układy synchroniczne

• wolniejsze
• zużywają energię cały czas
• łatwiejsze do zaprojektowania

Pierwszy asynchroniczny mikroprocesor

• California Institute of Technology, Pasadena, 1988–1989
• samoistnie dostosowuje szybkość do temperatury
• samoistnie dostosowuje szybkość do napięcia zasilania
• 4× mniej energii niż synchroniczny odpowiednik przy tej samej wydajności

Zasilanie bulwą

Intel RAPPID

• Revolving Asynchronous Pentium® Processor Instruction Decoder
• 1995–1999
• 3× szybszy
• 2× mniejsze zużycie energii
• 5× dłuższy czas projektowania 💵💰🤑
• trudne testowanie
• pewne koncepcje wykorzystane w Pentium 4

Programowanie asynchroniczne ^⁕

• nie ma związku z układami asynchronicznymi
• pozwala obsługiwać wiele zdarzeń o stosunkowo długim czasie wykonania bez blokowania programu

Źródła zegarowe

Oscylator RC

Oscylator RC

• tani
• mały (możliwy do wbudowania w układ scalony)
• energooszczędny
• niedokładny

Rezonator kwarcowy (XO/XTAL)

• droższy
• większy
• zużywa więcej energii
• bardzo dokładny (zwłaszcza VCXO, TCXO i OCXO)

Rezonatory kwarcowe

VCXO

Voltage-Controlled Crystal Oscillator

TCXO

Temperature-Compensated Crystal Oscillator

OCXO

Oven-Controlled Crystal Oscillator

Wzorzec rubidowy

• nieludzko dokładny
• bardzo drogi
• zużywa dużo energii

Odbiornik GNSS (np. GPS) — 1PPS

• bardzo dokładny
• stosunkowo tani
• ma średnie zapotrzebowanie na energię
• dostarcza również czas rzeczywisty
• wymaga sygnału z satelity

Przykładowe dokładności wzorców czasu

Regulacja szybkości zegara

Szybki zegar \(\Rightarrow\) problem

• duże zużycie energii
• wydzielanie ciepła
• wyższe napięcie zasilania
• generowanie zakłóceń
• zjawiska falowe
• czas propagacji

Dzielnik częstotliwości — divider

• najprościej podzielić częstotliwość przez $2^n$
• możliwe jest uzyskanie podziału także przez $n$
• nie ma możliwości zwiększenia częstotliwości
• wymaga zewnętrznego źródła zegara

VCO

VCO — Voltage-Controlled Oscillator

• sterowany napięciem generator RC
• jest źródłem zegara, ale o niskiej dokładności

PLL — Phase-Locked Loop

Zalety PLL

• mnoży częstotliwość wzorcową przez $n$
• w połączeniu z dzielnikiem przez $m$ pozwala uzyskać współczynnik $\frac{n}{m}$
• bardzo elastyczne rozwiązanie — must-have dla nowoczesnego mikrokontrolera

Wady PLL

• skomplikowany obwód analogowo-cyfrowy
• często stabilność uzyskuje tylko w pewnym zakresie częstotliwości wejściowej
• uzyskanie stabilności zajmuje pewien czas i może być sygnalizowane w odpowiednim rejestrze

Kondycjonowanie i propagacja sygnału zegarowego

Podsystem zegarowy mikrokontrolera

		int davinci_set_sysclk_rate(struct clk *clk, unsigned long rate)
		{
			unsigned v;
			struct pll_data *pll;
			unsigned long input;
			unsigned ratio = 0;

			/* If this is the PLL base clock, wrong function to call */
			if (clk->pll_data)
				return -EINVAL;

			/* There must be a parent... */
			if (WARN_ON(!clk->parent))
				return -EINVAL;

			/* ... the parent must be a PLL... */
			if (WARN_ON(!clk->parent->pll_data))
				return -EINVAL;

			/* ... and this clock must have a divider. */
			if (WARN_ON(!clk->div_reg))
				return -EINVAL;

			pll = clk->parent->pll_data;

			input = clk->parent->rate;

			/* If pre-PLL, source clock is before the multiplier and divider(s) */
			if (clk->flags & PRE_PLL)
				input = pll->input_rate;

			if (input > rate) {
				/*
				 * Can afford to provide an output little higher than requested
				 * only if maximum rate supported by hardware on this sysclk
				 * is known.
				 */
				if (clk->maxrate) {
					ratio = DIV_ROUND_CLOSEST(input, rate);
					if (input / ratio > clk->maxrate)
						ratio = 0;
				}

				if (ratio == 0)
					ratio = DIV_ROUND_UP(input, rate);

				ratio--;
			}

			if (ratio > pll->div_ratio_mask)
				return -EINVAL;

			do {
				v = __raw_readl(pll->base + PLLSTAT);
			} while (v & PLLSTAT_GOSTAT);

			v = __raw_readl(pll->base + clk->div_reg);
			v &= ~pll->div_ratio_mask;
			v |= ratio | PLLDIV_EN;
			__raw_writel(v, pll->base + clk->div_reg);

			v = __raw_readl(pll->base + PLLCMD);
			v |= PLLCMD_GOSET;
			__raw_writel(v, pll->base + PLLCMD);

			do {
				v = __raw_readl(pll->base + PLLSTAT);
			} while (v & PLLSTAT_GOSTAT);

			return 0;
		}
	

Propagacja zegara w systemie

Długość fali

Zegary czasu rzeczywistego

Przeznaczenie czasu rzeczywistego

• wyświetlanie czasu użytkownikowi
• logowanie zdarzeń
• wykonywanie zaplanowanych zadań
• komunikacja z innymi urządzeniami (np. TDMA)
• licencjonowanie funkcjonalności

Dostarczenie czasu rzeczywistego

• liczenie czasu w programie
• RTC zintegrowany w mikrokontrolerze
• RTC zewnętrzny
• odbiornik GNSS (np. GPS)
• NTP (Network Time Protocol)
• DCF77 (50kW@77,5kHz — 2000km)
• GSM
• RDS (Radio Data System) — ±100ms
• Bluetooth (sparowany telefon komórkowy)

Częstotliwość oscylatora