ข้อ จำกัด ความถี่สำหรับ homebrew CPUs

ในขณะที่มองหาซีพียูในตัวที่กำหนดเองฉันได้สังเกตเห็นความถี่ที่พวกมันทำงานนั้นค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับซีพียูสมัยใหม่ (ตามลำดับ MHz หลาย ๆ ตัว) มีเหตุผลด้านวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับข้อ จำกัด ดังกล่าวเช่นสำหรับเขียงหั่นขนมหรือไม่? ถ้าใช่จะกำหนดความถี่สูงสุดที่เป็นไปได้ในการออกแบบของคุณอย่างไร?

ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความยาวของการเชื่อมโยงระหว่างกันและการขยายพันธุ์ล่าช้าผ่านประตู ถ้าเราลดซีพียูให้เหลือน้อยที่สุดมันเป็นเครื่องป้อนกลับ กลุ่มของวงจรลอจิก combinatorial คำนวณฟังก์ชันบูลีนบางอย่างเหนือสถานะปัจจุบันของเครื่องและฟังก์ชั่นเหล่านั้นจะกำหนดสถานะใหม่ซึ่งเป็นวงจรเรียงลำดับเมื่อขอบนาฬิกาใหม่มาถึง วงจร combinatorial ทั้งหมดมีความล่าช้า ระยะเวลาของนาฬิกาไม่สามารถสั้นกว่าเวลาที่ใช้สำหรับเส้นทางที่ช้าที่สุดผ่านประตูเหล่านี้เพื่อสร้างผลลัพธ์ที่มั่นคงเนื่องจากบิตที่ไม่ถูกต้องเพียงครั้งเดียวหยุดการแสดง

นอกจากนี้ตรรกะตามลำดับมีข้อกำหนดเรื่องเวลา ก่อนที่ขอบนาฬิกาจะมาถึงจะมีเวลาในการตั้งค่าขั้นต่ำที่อินพุตจะต้องมีเสถียรภาพและหลังจากนั้นจะต้องมีเสถียรภาพสำหรับเวลาพัก หากสิ่งเหล่านี้ถูกละเมิดสถานะจะกลายเป็นขยะ

ความล่าช้าในการขยายพันธุ์เกิดจากสิ่งต่าง ๆ เช่นความสามารถในการเก็บประจุของกาฝากเร็วแค่ไหนกระแสที่เร็วสามารถสร้างขึ้นได้เมื่อต้องเผชิญกับการเหนี่ยวนำและอุปกรณ์ซิลิกอนที่สามารถเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่นทรานซิสเตอร์สองขั้วที่มีฐานขนาดเล็กสามารถสลับได้เร็วกว่าหนึ่งที่มีฐานขนาดใหญ่ดังนั้นทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กบนชิปจะเร็วกว่าแบบแยก

ในคำตอบก่อนหน้านี้ที่ฉันลบฉันเขียนเกี่ยวกับลักษณะพิเศษของสายส่ง แต่ฉันไม่คิดว่าเอฟเฟ็กต์เหล่านี้จะไม่ได้มาในรูปของความเร็วที่เรากำลังพูดถึงเพราะพูดที่ 10 Mhz ความยาวคลื่นยังคงอยู่ที่ประมาณ 30 เมตร ดังนั้นในระดับของแผงวงจรขนาดปกติพัลส์ในช่วงเวลาของเมกะเฮิรตซ์เพียงไม่กี่แห่งยังคงเข้าถึงทุกส่วนของเครือข่ายทองแดงพร้อมกัน

ดังนั้นหากคุณสร้างซีพียูจากองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องคุณก็จะไม่ได้รับชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีเวลาในการสลับที่รวดเร็วและระยะทางเดียวกันจะลดความจุและการเหนี่ยวนำที่ผิดเพี้ยน

อย่างไรก็ตามเครื่องจักรที่ไม่ต่อเนื่องแบบโบราณในปี 1960 นั้นทำงานได้เร็วกว่าเครื่องโฮมบรูว์เหล่านี้เล็กน้อย ใช้เวลาพอสมควรแล้วจึงไปถึงที่นั่น ตัวอย่างเช่น IBM 360 Model 44 (1964) ทำงานที่ 4 Mhz นั่นอาจยังคงเป็น "ความเร็วของโฮมบรูว์" แต่ CDC 7600 เปิดตัวเพียงไม่กี่ปีต่อมาในปี 1969 ทะลุ 36 Mhz บทความวิกิพีเดียhttp://en.wikipedia.org/wiki/CDC_7600ให้คำแนะนำเกี่ยวกับเทคนิคบางอย่างที่ถูกดึงตัวอย่างเช่น:

"เช่นเคยการออกแบบของ Cray เพ่งความสนใจไปที่บรรจุภัณฑ์เพื่อลดขนาดลดระยะทางของสัญญาณและเพิ่มความถี่ในการทำงาน ... [E] โมดูลวงจร ach จริง ๆ แล้วประกอบด้วยบอร์ด PC ถึงหกบอร์ดแต่ละอันอัดแน่นไปด้วยตัวต้านทานย่อยไดโอด และทรานซิสเตอร์แผงวงจรทั้งหกถูกวางซ้อนกันและเชื่อมต่อกันตามขอบทำให้โมดูลมีขนาดกะทัดรัด แต่โดยทั่วไปไม่สามารถซ่อมแซมได้ "

ดังนั้นซีพียู homebrew ไม่จำเป็นต้องสร้างขึ้นเพื่อศักยภาพที่แท้จริงของมันเนื่องจากเอฟเฟกต์ที่น่าสับสนบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพของการสร้างและเลย์เอาต์ ถึงกระนั้นก็ตามใครก็ตามที่สร้างซีพียูออกจากวงจรรวมแต่ละตัวและส่วนประกอบแยกซึ่งทำงานที่เมกะเฮิรตซ์หลายตัวนั้นควรได้รับการปรบมือ

ในฐานะที่เคยเป็นนักเรียนมัธยมปลายคนหนึ่งที่สร้างคอมพิวเตอร์วัตถุประสงค์พิเศษด้วย 7400 series TTL ซึ่งได้รับรางวัล kinda ในงาน Science Science ฉันสังเกตเห็นสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ที่ทำให้เครื่องทำงานได้เร็วที่สุด:

• ความจุหลงทางในเขียงหั่นขนม pF สองสามตัวระหว่างตัวเชื่อมต่อทุกคู่ที่อยู่ติดกัน เวลาในการเพิ่ม / ลดลงของชีพจรที่ จำกัด และในสถานที่เพิ่ม crosstalk นี่อาจเป็นปัจจัยที่ใหญ่ที่สุด

• รูปแบบของชิปถุงคว้า (ใครก็ตามที่จำโพลี Paks?) 74LSxx, 74Hxx, 74xx ด้วยความล่าช้าในการแพร่กระจายที่แตกต่างกันและลักษณะอื่น ๆ ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่สัญญาณจะซิงค์กันที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงกว่าสองสาม MHz

• Cheapo ชิปหน่วยความจำแบบคงที่อีกครั้งจากถุงคว้าหรือแหล่งที่ไม่มีคุณภาพอื่น ๆ พวกเขาไม่สามารถอ่านหรือเขียนได้อย่างน่าเชื่อถือเกินกว่าอัตราที่กำหนด

• เครื่องมือทดสอบของฉัน จำกัด เฉพาะเครื่องกำเนิดสัญญาณ homebrew, ออสซิลโลสโคปแบนด์วิดท์ 5MHz และวงจรดิจิตอลคณะลูกขุนชั่วคราว ยากที่จะตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณ, เวลา, แอมพลิจูดของสัญญาณดิจิตอลที่ผ่านการกรองความถี่ต่ำลงในข้าวต้มที่สั่นคลอน

วันนี้คงเป็นการยากที่จะหาขอบเขต 5MHz เว้นแต่จะเป็นผู้ซื้อโบราณ ชิปที่ดีกว่าทุกชนิดนั้นง่ายที่จะได้รับแม้จะอยู่ในแพ็คเกจจิ้มจุ่ม 0.1 "เว้นเสียแต่ว่าฉันไม่ได้เห็นอะไรมากในทางของถุงคว้าในระยะเวลานานซ็อกเก็ตบอร์ด แต่ก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงอะไรมาก ความสามารถในการหลงทางยังคงเป็นตัวกำหนดความเร็วสำหรับโปรเจ็กต์ดิจิตอลที่สร้างสรรค์

การหลีกเลี่ยง breadboards โดยใช้ homebrew PCB เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการหลีกเลี่ยงความสามารถในการหลงทาง แต่แน่นอนว่าต้องใช้ความพยายามและเวลามากขึ้น

ฉันคิดว่าเหตุผลหลักคือเมื่อคุณเพิ่มความถี่ความต้านทานของการเชื่อมต่อของเขียงหั่นขนมของคุณจะเพิ่มขึ้นและ จำกัด ความเร็วสุดท้ายของวงจร

การเชื่อมต่อทุกอย่างในเขียงหั่นขนมของคุณมีการเหนี่ยวนำต่ำ แต่ไม่เป็นศูนย์ เมื่อความถี่ของคุณสูงขึ้นเรื่อย ๆ คุณต้องคำนึงถึงผลกระทบเหล่านี้ด้วย ความต้านทานของสายสามารถพบได้โดย:

เมื่อ L เป็นตัวเหนี่ยวนำของเส้นลวด ในที่สุด Z จะสูงพอที่กระแสไม่ไหลและวงจรของคุณจะหยุดทำงาน การค้นหาค่าตัวเลขที่แน่นอนสำหรับหมายเลขนี้จะซับซ้อนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจาก breadboards มีร่องรอยติดกันและจะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของลวดแต่ละเส้นจากสูตรนี้เล็กน้อย หากคุณจริงๆต้องการจำนวน (ไม่แน่ชัด) คุณสามารถลองที่นี่ในการคำนวณการเหนี่ยวนำ (และความต้านทาน) ของสายของคุณ หากคุณทราบกระแสต่ำสุดที่ชิ้นส่วนสามารถใช้งานได้คุณสามารถกำหนดความถี่สูงสุดก่อนที่จะถึงขีด จำกัด นั้น

คนอื่น ๆ ตอบว่า "ทำไม" ต่อไปนี้เป็นวิธีกำหนดความเร็วสูงสุด

1. สำหรับแต่ละ flip-flop ให้ค้นหานาฬิกาของมันเพื่อถาม
2. รวมความยาวสายไฟของสายไฟทั้งหมดตั้งแต่ฟลิปฟล็อปถึงฟลิปฟล็อปถัดไป เปลี่ยนความยาวเป็นครั้งคราว ลวดคือ ~ 2/3 ความเร็วของแสง
3. รวมเกตล่าช้าใด ๆ รวมถึง RAM แบบอะซิงโครนัส
4. ใช้เวลาตั้งค่าที่ flip-flop ถัดไป
5. เพิ่ม 1-4 นี่คือช่วงเวลาของนาฬิกาขั้นต่ำของคุณ สลับกลับเพื่อรับความถี่
6. พิจารณานาฬิกาเอียง หากนาฬิกามาถึง ff ตัวที่สองก่อนหน้าแรกเพิ่มความเบ้ด้วย 1-4
7. ถ้านาฬิกามาถึง ff ตัวที่สองก่อนหน้าแรกให้คำนวณอย่างน้อย 1-3 ตรวจสอบให้แน่ใจว่าใช้เวลาน้อยกว่าเวลาพักที่กำหนดโดย ff ตัวที่สองพร้อมกับนาฬิกาเอียง

นอกจากเหตุผลทางไฟฟ้าทั้งหมดที่ จำกัด ความเร็วแล้วยังมีอีกหนึ่งเหตุผลในระดับตรรกะ:

คุณไม่สามารถโยนทรัพยากรได้มากเท่าที่ทำให้สิ่งต่าง ๆ ทำงานได้เร็วขึ้นเช่นการดำเนินการไปป์ไลน์พร้อมการคาดคะเนสาขาการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่เร็วขึ้นและอะไรก็ตาม แคชไม่เข้าท่าถ้าไม่เร็วกว่าความจำหลักของคุณ

สำหรับเครื่องโฮมบรูมันมีสองปัจจัย ความล่าช้าในการเผยแพร่ชิปที่คุณใช้และจำนวนชิปที่คุณต้องใช้ในเส้นทางที่ยาวที่สุดผ่านการออกแบบซีพียูของคุณ

ตัวอย่างเช่น 74HC574 (การลงทะเบียน 8 บิต) มีความล่าช้าในการเผยแพร่สูงสุดประมาณ 41ns (นำมาจากแผ่นข้อมูล) ทีนี้มาพูดถึงเส้นทางที่ยาวที่สุดในการออกแบบ CPU ของคุณต้องผ่านชิป 8 ตัว เพิ่มการขยายพันธุ์ล่าช้าสำหรับแต่ละ 8 และให้จินตนาการถึง 333ns ด้วย 1000ns เท่ากับ 1Mhz ที่จะให้ความเร็วสูงสุดที่ 3Mhz

ในทางปฏิบัติคุณอาจต้องการ จำกัด ตัวเองกับสิ่งที่ช้ากว่าเช่น 2Mhz เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบมีเสถียรภาพ แม้ว่าคุณคิดว่าคุณจะพลาดช่วงเวลาหนึ่งครั้งต่อพันล้านรอบเท่านั้น แต่คุณก็ยังมีปัญหาอยู่ 10 พันล้านหารด้วย 3 ล้านหมายความว่าคุณพลาดไม่ได้รับทุกๆ 3,333 วินาทีซึ่งประมาณหนึ่งครั้งต่อชั่วโมง การกระแทกเครื่องของคุณทุกชั่วโมงนั้นไม่ดี!

เพื่อให้เร็วขึ้นคุณสามารถใช้ชิปที่เร็วขึ้นและ / หรือเปลี่ยนการออกแบบเพื่อลดจำนวนชิปในเส้นทางที่ช้าที่สุด เกี่ยวกับความเร็ว homebrew ที่เร็วที่สุดที่คุณเห็นอยู่ที่ประมาณ 4Mhz ซึ่งจะช่วยให้คุณ 250ns ในการทำแต่ละรอบ