เหตุใดอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเรียบง่ายเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์จึงช้ากว่า CPU มาก

เมื่อพิจารณาจากจำนวนขั้นตอนการส่งท่อและโหนดการผลิตเดียวกัน (เช่น 65 nm) และแรงดันเท่ากันอุปกรณ์ที่เรียบง่ายควรทำงานได้เร็วกว่าขั้นตอนที่ซับซ้อนมากขึ้น นอกจากนี้การรวมขั้นตอนไปป์ไลน์หลายขั้นตอนเข้าด้วยกันไม่ควรทำให้ช้าลงโดยปัจจัยที่เป็นปัจจัยมากกว่าจำนวนขั้นตอน

ตอนนี้ใช้ซีพียูอายุห้าขวบทำงานไปป์ไลน์ 14 ขั้นที่ 2.8 GHz สมมติว่าหนึ่งผสานขั้นตอน; ที่จะช้าลงต่ำกว่า 200 MHz ตอนนี้เพิ่มแรงดันไฟฟ้าและลดจำนวนบิตต่อคำ จริงๆแล้วมันจะเร่งความเร็วให้เร็วขึ้น

นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันไม่เข้าใจว่าทำไมไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ผลิตในปัจจุบันจำนวนมากเช่น AVL ทำงานที่ความเร็วสูงสุด (เช่น 20 MHz ที่ 5 V) แม้ว่า CPU ที่ซับซ้อนกว่าปีที่แล้วมีความสามารถในการรัน 150x เร็วขึ้นหรือเร็วขึ้น 10 เท่า ถ้าคุณหมุนไปป์ไลน์ทั้งหมดเป็นหนึ่งเดียวที่ 1.2 V-ish จากการคำนวณแบบ back-of-the-envelope ที่หยาบที่สุดไมโครคอนโทรลเลอร์ - แม้ว่าผลิตโดยใช้เทคโนโลยีที่ล้าสมัยของเส้นขอบ - ควรรันเร็วกว่า 10x อย่างน้อย 10 เท่าของแรงดันไฟฟ้าที่พวกเขาจัดหาให้

ดังนั้นคำถาม: อะไรคือสาเหตุของอัตรานาฬิกาไมโครคอนโทรลเลอร์ช้า?

มีปัจจัยอื่น ๆ ที่นำไปสู่ความเร็ว

• หน่วยความจำ: ประสิทธิภาพที่แท้จริงมักถูก จำกัด โดยความหน่วงแฝงของหน่วยความจำ CPU ของ Intel มีแคชขนาดใหญ่สำหรับใช้ในการนี้ ไมโครคอนโทรลเลอร์มักไม่ทำ หน่วยความจำแฟลชช้ากว่า DRAM มาก

• การใช้พลังงาน: นี่มักเป็นเรื่องใหญ่ในแอปพลิเคชันแบบฝัง ซีพียู Intel ที่เกิดขึ้นจริง 200 MHzกินไฟมากกว่า 10 วัตต์ (บ่อยกว่านั้นมาก) และต้องการฮีทซิงค์และพัดลมขนาดใหญ่ ที่ต้องใช้พื้นที่และเงินและไม่นับตรรกะภายนอกและหน่วยความจำที่ไปด้วย 20 MHz AVRใช้เวลาประมาณ 0.2 วัตต์ซึ่งรวมถึงทุกสิ่งที่คุณต้องการ สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการด้วย - ทรานซิสเตอร์ที่เร็วกว่ามักจะรั่วได้

• เงื่อนไขการใช้งาน: เมื่อมิทรีชี้ให้เห็นในความคิดเห็นไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมากสามารถทำงานในช่วงแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่กว้าง ATMega ที่ฉันกล่าวถึงข้างต้นทำงานได้ตั้งแต่ -40C ถึง 85C และสามารถเก็บได้ตั้งแต่ -65C ถึง 150C (MCU อื่นทำงานได้สูงสุด 125C หรือ 155C) แรงดันไฟฟ้า VCC สามารถเป็นอะไรก็ได้ตั้งแต่ 2.7V ถึง 5.5V (5V +/- 10% สำหรับประสิทธิภาพสูงสุด) แผ่นข้อมูลCore i7นี้อ่านยากเนื่องจากจะตัดค่า VCC ที่อนุญาตในระหว่างการผลิต แต่ความคลาดเคลื่อนของแรงดันและอุณหภูมินั้นแคบลงอย่างแน่นอน - ความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้า ~ 3% และอุณหภูมิทางแยกสูงสุด 105C (ขั้นต่ำ 5C แต่เมื่อคุณดึง> 100 แอมป์อุณหภูมิต่ำสุดไม่ใช่ปัญหาจริงๆ)

• จำนวนประตู: เรียบง่ายไม่ได้เร็วขึ้นเสมอไป ถ้าเป็นเช่นนั้น Intel ก็ไม่จำเป็นต้องมีสถาปนิก CPU! มันไม่ใช่แค่การวางท่อ คุณต้องการสิ่งต่าง ๆ เช่น FPU ประสิทธิภาพสูง แจ็คขึ้นราคา MCU ระดับต่ำจำนวนมากมี CPU จำนวนเต็มเท่านั้นสำหรับเหตุผลนั้น

• งบประมาณในพื้นที่ Die: ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องปรับฟังก์ชั่นการทำงานให้เป็นหนึ่งเดียวซึ่งมักจะรวมถึงหน่วยความจำทั้งหมดที่ใช้สำหรับแอปพลิเคชัน (SRAM และแฟลช NOR ที่เชื่อถือได้มีขนาดค่อนข้างใหญ่) พีซีซีพียูพูดคุยกับหน่วยความจำนอกชิปและอุปกรณ์ต่อพ่วง

• กระบวนการ: AVR 5V เหล่านั้นทำในกระบวนการต้นทุนต่ำแบบโบราณ โปรดจำไว้ว่าพวกเขาถูกออกแบบมาจากพื้นดินขึ้นไปราคาถูก Intel ขายสินค้าอุปโภคบริโภคที่มีอัตรากำไรสูงโดยใช้เงินเทคโนโลยีที่ดีที่สุดที่สามารถซื้อได้ ของ Intel ยังขาย CMOS บริสุทธิ์ กระบวนการ MCU จำเป็นต้องผลิตหน่วยความจำแฟลชบนชิปซึ่งยากกว่า

ปัจจัยหลายประการข้างต้นเกี่ยวข้องกัน

คุณสามารถซื้อไมโครคอนโทรลเลอร์ 200 MHz วันนี้ ( นี่คือตัวอย่าง ) แน่นอนพวกมันมีราคาสิบเท่าของตู้ ATM 20 MHz ...

รุ่นสั้นคือความเร็วมีความซับซ้อนมากกว่าความเรียบง่ายและผลิตภัณฑ์ราคาถูกได้รับการปรับให้เหมาะสมกับความประหยัดไม่ใช่ความเร็ว

เหตุผลทางเทคนิคพื้นฐานที่สำคัญสำหรับความเร็วที่ช้าก็คือ MCU ราคาถูก / ขนาดเล็กจะใช้หน่วยความจำแฟลชในชิปเท่านั้นสำหรับการจัดเก็บโปรแกรม

ขนาดเล็ก MCUs โดยทั่วไปไม่ได้มีหน่วยความจำโปรแกรมแคชดังนั้นพวกเขาจึงมักจะต้องอ่านคำสั่งจากแฟลชก่อนที่จะดำเนินการได้ทุกรอบ สิ่งนี้ช่วยให้ประสิทธิภาพที่กำหนดขึ้นและ # รอบ / การดำเนินการมีราคาถูกลง / ง่ายขึ้นและหลีกเลี่ยงปัญหาที่เหมือนกับพีซีซึ่งมีการใช้รหัสและข้อมูลผสมกันทำให้เกิดภัยคุกคามใหม่จากบัฟเฟอร์ล้น ฯลฯ

เวลาแฝงของการอ่านจากหน่วยความจำแฟลช (ตามลำดับ 50-100ns) นั้นช้ากว่าการอ่านจาก SRAM หรือ DRAM มาก (ตามลำดับที่ 10 หรือต่ำกว่า) และเวลาแฝงนั้นต้องเกิดขึ้นทุกรอบซึ่ง จำกัด ความเร็วนาฬิกาของ ส่วนหนึ่ง

ทำไมผู้คนถึงขี่จักรยานหรือมอเตอร์ไซค์เล็ก ๆ เมื่อคุณมีรถยนต์ฟอร์มูล่า 1? แน่นอนว่าจะต้องดีกว่าถ้าต้องขับว่า 300 km / h และไปทุกที่ในทันที?

เพื่อให้เข้าใจง่ายไม่จำเป็นต้องเร็วกว่าที่คิด ฉันหมายถึงแน่ใจว่ามีตัวควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์เล็กน้อยและเร็วกว่าเปิดใช้งานบางอย่าง แต่คุณจะทำอย่างไรในการพูดถึงตู้จำหน่ายอัตโนมัติที่ใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลา 1 ชั่วโมงต่อวัน? คุณจะทำอะไรในรีโมทควบคุมสำหรับทีวี

ในทางกลับกันพวกเขามีความสามารถที่สำคัญอื่น ๆ เช่นการใช้พลังงานต่ำเป็นโปรแกรมที่ง่ายกว่าและอื่น ๆ โดยพื้นฐานแล้วพวกมันไม่ใช่โปรเซสเซอร์และทำสิ่งต่าง ๆ

มีคอนโทรลเลอร์ ARM มากมายที่ทำงานที่หลายร้อย MHz หรือมากกว่า ใครต้องการ PIC ขนาด 500 MHz และยินดีจ่ายเพียงพอต่อชิ้นส่วนในการปรับหน้ากากล้านดอลลาร์เพื่อเข้าใกล้กระบวนการอันทันสมัย?

ATmega328 ที่ได้รับความนิยมนั้นถูกสร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยี 350 nm ซึ่งค่อนข้างช้ากว่าซีพียู Intel รุ่นล่าสุด (14 nm สำหรับSkylake )

แม้แต่คอนโทรลเลอร์ 8 บิตที่ราคาถูกได้ถูกเพิ่มความเร็วอย่างช้าๆและคุณสามารถรับคอนโทรลเลอร์ PIC 32 และ 64 MHz (ตัวอย่างเช่น PIC18F14K22) ที่ยังคงทำงานที่ 5 V (ค่าหลังเป็นข้อพิจารณาในค่าใช้จ่ายระบบทั้งหมด)

สิ่งหนึ่งที่ต้องพิจารณาคือตัวควบคุมเหล่านี้มีสถาปัตยกรรมที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับพื้นที่หน่วยความจำขนาดเล็กและความเร็วสัญญาณนาฬิกาช้า เมื่อคุณเริ่มต้นด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงคุณจะต้องรีเจกสิ่งต่าง ๆ ด้วยพรีเซลเลอร์เป็นต้น

มีความพยายามหาทางกลับ (ปลายปี 1990) ในการผลิตคอนโทรลเลอร์แบบ PIC ที่รวดเร็วมากด้วยความคิดที่ว่าเฟิร์มแวร์สามารถใช้แทนอุปกรณ์ต่อพ่วงได้ถ้าไมโครคอนโทรลเลอร์นั้นเร็วพอ ตัวอย่างเช่นคุณสามารถใช้ UART เป็นบิตได้ ฉันไม่คิดว่าพวกเขาจะประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ - Scenix-> Ubicom-> Qualcomm (จบเกม)

ลองนึกภาพหนึ่งที่ต้องการผลิตรถยนต์ วิธีหนึ่งคือการใช้อุปกรณ์หลายชิ้นในโรงงานตามลำดับการสร้างรถยนต์ทีละคัน วิธีนี้สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนพอประมาณจำนวนเล็กน้อยอุปกรณ์ดังกล่าวจำนวนมากอาจถูกนำมาใช้เพื่อดำเนินการมากกว่าหนึ่งขั้นตอน ในทางกลับกันอุปกรณ์ส่วนใหญ่ในโรงงานจะยังคงนั่งนิ่งอยู่ตลอดเวลา

อีกวิธีหนึ่งคือการตั้งค่าสายการประกอบดังนั้นทันทีที่อุปกรณ์ที่จัดการขั้นตอนแรกของการผลิตเสร็จสิ้นการดำเนินการในรถยนต์คันแรกแล้วก็สามารถเริ่มการทำงานที่เกี่ยวข้องในรถคันต่อไปได้ การพยายามใช้อุปกรณ์ชิ้นเดียวซ้ำหลาย ๆ ขั้นตอนในกระบวนการผลิตอาจมีความซับซ้อนดังนั้นในกรณีส่วนใหญ่จะเป็นการดีกว่าที่จะใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมที่แต่ละชิ้นได้รับการปรับให้เหมาะกับการทำงานเฉพาะอย่างมาก (เช่นหากจำเป็นต้องเจาะ 50) รูที่มีขนาดแตกต่างกัน 10 ขนาดจากนั้นการตั้งค่าอุปกรณ์ขั้นต่ำจะรวมหนึ่งการฝึกซ้อมที่มี 10 บิตและกลไกการเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว แต่สายการประกอบอาจมี 50 การฝึกซ้อมแต่ละครั้งพร้อมบิตที่ติดตั้งถาวรหนึ่งชุด .

สำหรับสิ่งต่างๆเช่น DSP หรือ GPU เป็นไปได้ที่จะบรรลุความเร็วสูงมากราคาค่อนข้างถูกเพราะลักษณะของงานที่ต้องปฏิบัติมีความสอดคล้องกันมาก น่าเสียดายที่ซีพียูจำนวนมากจำเป็นต้องสามารถจัดการกับข้อผิดพลาดโดยพลการของคำสั่งที่ซับซ้อนแตกต่างกัน การทำเช่นนั้นเป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ต้องใช้ตรรกะการจัดตารางเวลาที่ซับซ้อนมาก ในซีพียูสมัยใหม่หลาย ๆ รุ่นตรรกะที่จำเป็นในการ "ทำงาน" นั้นไม่ซับซ้อนหรือแพงเกินไป แต่ตรรกะที่จำเป็นในการประสานงานทุกอย่างก็คือ