Ich würde diese Frage als "zu weit gefasst" schließen. Es ist wie die Frage "Warum gibt es CMOS-Gatter anstelle von Transistoren in einer CPU" ...
Ale..chenski
3
Es ist wahrscheinlich zu weit gefasst, aber ich habe sehr relevante Antworten erhalten, die hoffentlich anderen Menschen helfen werden.
Jonas Daverio
1
Warum das schließen? Es werden Fragen im Tutorial-Stil zum allgemeinen Thema gestellt, die für andere von ständigem Interesse sind.
Russell McMahon
Antworten:
12
Dafür gibt es mehrere Gründe. Ein Phasenregelkreis oder PLL ist eine Schaltung, die verwendet wird, um eine stabile Frequenz zu erzeugen, die eine spezifische mathematische Beziehung zu einer Referenzfrequenz hat. Insbesondere ist es eine Schaltung, die verwendet wird, um eine Art elektrisch abstimmbaren Oszillator (normalerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator oder VCO) zu steuern, so dass sein Ausgang in einer bestimmten Beziehung zu einer Referenzfrequenz verriegelt ist, die von einer Art stabiler Referenz geliefert wird (normalerweise ein Kristall-, Kristalloszillator- oder Silizium-MEMS-Oszillator).
Eine PLL teilt den Ausgang des VCO und den Referenzeingang mit Frequenzteilern auf, vergleicht dann die Frequenz und Phase dieser geteilten Ausgänge und passt die VCO-Steuerspannung an, bis Frequenz und Phase übereinstimmen.
Es ist möglich, dass eine PLL eine viel höhere Frequenz als die Referenzfrequenz erzeugt - beispielsweise kann eine 100-MHz-Referenz mit mehreren GHz multipliziert werden. Wenn die PLL auf demselben Chip integriert ist, auf dem der Hochfrequenzausgang verwendet wird, kann dies Strom sparen und die EMI reduzieren, indem die Frequenz verringert wird, die über die Leiterplattenspuren gesendet wird. Dies vereinfacht auch das Layout der Platine.
Da die Beziehung mit einfachen Frequenzteilern bestimmt wird und es recht einfach ist, programmierbare Teiler zu erstellen, ist es sehr einfach, die Ausgangsfrequenz einer PLL durch einfaches Ändern der Teilereinstellungen zu ändern. Dies kann Energieeinsparungen ermöglichen, indem eine als dynamische Frequenzskalierung bezeichnete Technik verwendet wird, bei der die Frequenz basierend auf der erforderlichen Prozessorleistung angepasst wird, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Es ermöglicht auch eine softwarebasierte Konfiguration der Frequenz, wodurch das Design des Systems wesentlich flexibler wird, da die Software anhand der erkannten Hardware entscheiden kann, welche Einstellungen beim Booten verwendet werden sollen (z. B. das Anstecken der CPU-Sockelstifte oder das Auslesen der SPD EEPROM-Inhalt auf RAM-Modulen während des Startvorgangs).
In einer modernen CPU werden mehrere PLLs vorhanden sein, um die Uhren für verschiedene Komponenten bereitzustellen. Moderne CPUs weisen einen hohen Integrationsgrad auf, sodass Komponenten, die sich früher auf separaten Chips befanden, zunehmend auf einem Chip integriert werden. Auf einer modernen CPU gibt es viel mehr als einen einzelnen Prozessorkern und einen Front-Side-Bus. Die Verarbeitungskerne selbst laufen auf einem oder mehreren Takten, die von einer oder mehreren PLLs geliefert werden, so dass die Kerntakte leicht und möglicherweise unabhängig eingestellt werden können. Die PCI-Express-Schnittstelle erfordert auch PLLs, wahrscheinlich mehrere PLLs, um den Betrieb mit unterschiedlichen Verbindungsraten zu unterstützen. Serielle ATA-Verbindungen arbeiten ebenfalls mit einer anderen Geschwindigkeit und haben daher ihre eigenen PLLs. Gleiches gilt für QPI, Hypertransport, USB 3, HDMI, Display-Port usw. Die Speicherschnittstelle erfordert wahrscheinlich eine andere PLL, um die spezifische Taktfrequenz zu erzeugen, die der installierte Speicher benötigt. Alle diese PLLs würden denselben (relativ) niederfrequenten Referenzoszillator auf der Hauptplatine verwenden.
Ein kritisches Problem, das Sie übersehen haben, ist die Schwierigkeit, einen Quarzoszillator über einigen hundert MHz herzustellen. Durch die Verwendung einer PLL kann die Grundfrequenz mit hoher Stabilität erzeugt und dann mit geringem Stabilitätsverlust in GHz-Frequenzen hochkonvertiert werden.
WhatRoughBeast
2
@WhatRoughBeast: Ich denke, das ist eigentlich kein so großes Problem wie das Bewegen des Vollfrequenztakts über das Board, ohne Jitter und verschlechternde Kanten hinzuzufügen. Niemand arbeitet daran, das Problem der Hochfrequenzoszillatoren zu lösen, weil niemand die Lösung kaufen würde.
Ben Voigt
8
Kenne ich schon.
Abgesehen von anderen hier genannten Gründen ist dies ein anderer:
Die Marketing-Leute wollen das Chip-Design so billig wie möglich machen. Daher bevorzugen sie billige Kristalle. Diejenigen, die für Ethernet verwendet werden, fallen in diese Kategorie. Daher müssen Sie häufig einen 25-MHz-Kristall verwenden.
Gleichzeitig will das Marketing leistungsstarke Prozessoren. Daher sollte der Prozessor (nennen wir es LEG ++ ) mit 1 oder 2 GHz arbeiten können.
Der einzige Weg, dies zu tun, ist die Verwendung einer PLL.
Oder der Prozessor kann mit maximal 64 MHz betrieben werden, er möchte jedoch eine USB-Schnittstelle, für die eine 48-MHz-Uhr erforderlich ist. Wieder PLL zur Rettung.
++ LEG ist keine eingetragene Marke. (Zumindest soweit ich weiß)
LEG hat gerade eine fünffache Toe-Version ihres berühmten FOOT-Prozessors veröffentlicht.
Tom Carpenter
2
@ TomCarpenter: Ich habe für eine Firma in Cambridge gearbeitet, die einen Text mit dem Titel "ARM zeigt Intel den Finger" an der Wand hatte. Es war ein wunderschöner Artikel vom 1. April, in dem ein Ein-Bit-Prozessor namens "The Finger" angegeben wurde. Nie eine Kopie gefunden!
Oldfart
6
PLLs können zum Multiplizieren und Teilen von Frequenzen verwendet werden. CPUs mit PLLs zum Generieren ihrer Uhren sind in hohem Maße rekonfigurierbar. Die Taktrate kann über einen weiten Bereich relativ zum externen Referenztakt variiert werden, und es ist die PLL, die dies ermöglicht.
Es ist auch nicht möglich, xtals dazu zu bringen, weit über 100 MHz zu schwingen, so dass der Ref-Oszillator viele Male multipliziert werden muss, um Kernfrequenzen von 1 GHz bis 4 GHz zu erhalten. Die Kernfrequenz ist normalerweise ein ganzzahliges Vielfaches des Referenzwerts.
Sparky256
Nun, es wird allgemeiner ein ganzzahliges Verhältnis der Referenzfrequenz sein, da die PLL sowohl den VCO-Ausgang als auch die Referenzfrequenz teilen kann.
Alex. Forencich
6
PLLs werden hauptsächlich verwendet, um einen oder mehrere schnellere oder langsamere Takte aus einem Referenztakt zu erzeugen.
Sie haben vielleicht einen festen 100-MHz-Quarz gesagt, möchten dann aber Ihre CPU mit 2 GHz betreiben, sodass eine PLL erforderlich ist, um die Frequenz zu erhöhen (ein 2-GHz-Taktkristall ist nicht möglich).
Außerdem möchten Sie möglicherweise Ihre CPU-Frequenz im laufenden Betrieb ändern können (z. B. eine Turbouhr). In diesem Fall könnten Sie eine rekonfigurierbare PLL haben.
Darüber hinaus benötigen Sie möglicherweise einen anderen Speicher- oder Peripherietakt als Ihren CPU-Takt. Wiederum können eine PLL und ein Teiler verwendet werden, um dies aus einer einzelnen Referenz zu erzeugen.
1) Energieeinsparungen für Mobiltelefone und Verlängerung der CPU-Lebensdauer bei Kühlung.
2) Die Signalintegrität wird unter Verwendung des xx-Multiplikators für den Front-Side-Bus aufgrund der kurzen Wellenlänge und der geringeren Kapazität verbessert.
3) Flexible CPU-Geschwindigkeiten sind mit Gas auf Taktmultiplikator und Vdd möglich, um eine Burst-CPU-Leistung und Abkühlung zu ermöglichen.
Das Signal-Routing von 100-MHz-FSB ist einfach,> 1 GHz ist schwierig und Ihre CPU ist viel höher, der Treiberstrom steigt mit f und stehende Wellenreflexionen verzerren Rechteckwellen. Durch die Reduzierung des CPU-Takts wird Strom gespart und die Temperatur reduziert.
Antworten:
Dafür gibt es mehrere Gründe. Ein Phasenregelkreis oder PLL ist eine Schaltung, die verwendet wird, um eine stabile Frequenz zu erzeugen, die eine spezifische mathematische Beziehung zu einer Referenzfrequenz hat. Insbesondere ist es eine Schaltung, die verwendet wird, um eine Art elektrisch abstimmbaren Oszillator (normalerweise einen spannungsgesteuerten Oszillator oder VCO) zu steuern, so dass sein Ausgang in einer bestimmten Beziehung zu einer Referenzfrequenz verriegelt ist, die von einer Art stabiler Referenz geliefert wird (normalerweise ein Kristall-, Kristalloszillator- oder Silizium-MEMS-Oszillator).
Eine PLL teilt den Ausgang des VCO und den Referenzeingang mit Frequenzteilern auf, vergleicht dann die Frequenz und Phase dieser geteilten Ausgänge und passt die VCO-Steuerspannung an, bis Frequenz und Phase übereinstimmen.
Es ist möglich, dass eine PLL eine viel höhere Frequenz als die Referenzfrequenz erzeugt - beispielsweise kann eine 100-MHz-Referenz mit mehreren GHz multipliziert werden. Wenn die PLL auf demselben Chip integriert ist, auf dem der Hochfrequenzausgang verwendet wird, kann dies Strom sparen und die EMI reduzieren, indem die Frequenz verringert wird, die über die Leiterplattenspuren gesendet wird. Dies vereinfacht auch das Layout der Platine.
Da die Beziehung mit einfachen Frequenzteilern bestimmt wird und es recht einfach ist, programmierbare Teiler zu erstellen, ist es sehr einfach, die Ausgangsfrequenz einer PLL durch einfaches Ändern der Teilereinstellungen zu ändern. Dies kann Energieeinsparungen ermöglichen, indem eine als dynamische Frequenzskalierung bezeichnete Technik verwendet wird, bei der die Frequenz basierend auf der erforderlichen Prozessorleistung angepasst wird, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Es ermöglicht auch eine softwarebasierte Konfiguration der Frequenz, wodurch das Design des Systems wesentlich flexibler wird, da die Software anhand der erkannten Hardware entscheiden kann, welche Einstellungen beim Booten verwendet werden sollen (z. B. das Anstecken der CPU-Sockelstifte oder das Auslesen der SPD EEPROM-Inhalt auf RAM-Modulen während des Startvorgangs).
In einer modernen CPU werden mehrere PLLs vorhanden sein, um die Uhren für verschiedene Komponenten bereitzustellen. Moderne CPUs weisen einen hohen Integrationsgrad auf, sodass Komponenten, die sich früher auf separaten Chips befanden, zunehmend auf einem Chip integriert werden. Auf einer modernen CPU gibt es viel mehr als einen einzelnen Prozessorkern und einen Front-Side-Bus. Die Verarbeitungskerne selbst laufen auf einem oder mehreren Takten, die von einer oder mehreren PLLs geliefert werden, so dass die Kerntakte leicht und möglicherweise unabhängig eingestellt werden können. Die PCI-Express-Schnittstelle erfordert auch PLLs, wahrscheinlich mehrere PLLs, um den Betrieb mit unterschiedlichen Verbindungsraten zu unterstützen. Serielle ATA-Verbindungen arbeiten ebenfalls mit einer anderen Geschwindigkeit und haben daher ihre eigenen PLLs. Gleiches gilt für QPI, Hypertransport, USB 3, HDMI, Display-Port usw. Die Speicherschnittstelle erfordert wahrscheinlich eine andere PLL, um die spezifische Taktfrequenz zu erzeugen, die der installierte Speicher benötigt. Alle diese PLLs würden denselben (relativ) niederfrequenten Referenzoszillator auf der Hauptplatine verwenden.
quelle
Kenne ich schon.
Abgesehen von anderen hier genannten Gründen ist dies ein anderer:
Die Marketing-Leute wollen das Chip-Design so billig wie möglich machen. Daher bevorzugen sie billige Kristalle. Diejenigen, die für Ethernet verwendet werden, fallen in diese Kategorie. Daher müssen Sie häufig einen 25-MHz-Kristall verwenden.
Gleichzeitig will das Marketing leistungsstarke Prozessoren. Daher sollte der Prozessor (nennen wir es LEG ++ ) mit 1 oder 2 GHz arbeiten können.
Der einzige Weg, dies zu tun, ist die Verwendung einer PLL.
Oder der Prozessor kann mit maximal 64 MHz betrieben werden, er möchte jedoch eine USB-Schnittstelle, für die eine 48-MHz-Uhr erforderlich ist. Wieder PLL zur Rettung.
++ LEG ist keine eingetragene Marke. (Zumindest soweit ich weiß)
quelle
PLLs können zum Multiplizieren und Teilen von Frequenzen verwendet werden. CPUs mit PLLs zum Generieren ihrer Uhren sind in hohem Maße rekonfigurierbar. Die Taktrate kann über einen weiten Bereich relativ zum externen Referenztakt variiert werden, und es ist die PLL, die dies ermöglicht.
quelle
PLLs werden hauptsächlich verwendet, um einen oder mehrere schnellere oder langsamere Takte aus einem Referenztakt zu erzeugen.
Sie haben vielleicht einen festen 100-MHz-Quarz gesagt, möchten dann aber Ihre CPU mit 2 GHz betreiben, sodass eine PLL erforderlich ist, um die Frequenz zu erhöhen (ein 2-GHz-Taktkristall ist nicht möglich).
Außerdem möchten Sie möglicherweise Ihre CPU-Frequenz im laufenden Betrieb ändern können (z. B. eine Turbouhr). In diesem Fall könnten Sie eine rekonfigurierbare PLL haben.
Darüber hinaus benötigen Sie möglicherweise einen anderen Speicher- oder Peripherietakt als Ihren CPU-Takt. Wiederum können eine PLL und ein Teiler verwendet werden, um dies aus einer einzelnen Referenz zu erzeugen.
quelle
3 Hauptgründe;
1) Energieeinsparungen für Mobiltelefone und Verlängerung der CPU-Lebensdauer bei Kühlung.
2) Die Signalintegrität wird unter Verwendung des xx-Multiplikators für den Front-Side-Bus aufgrund der kurzen Wellenlänge und der geringeren Kapazität verbessert.
3) Flexible CPU-Geschwindigkeiten sind mit Gas auf Taktmultiplikator und Vdd möglich, um eine Burst-CPU-Leistung und Abkühlung zu ermöglichen.
Das Signal-Routing von 100-MHz-FSB ist einfach,> 1 GHz ist schwierig und Ihre CPU ist viel höher, der Treiberstrom steigt mit f und stehende Wellenreflexionen verzerren Rechteckwellen. Durch die Reduzierung des CPU-Takts wird Strom gespart und die Temperatur reduziert.
quelle