Особенности тактирования ВУ с автономным источником питания

Особенностью работы устройств с автономным источником питания (аккумулятором) является экономия заряда аккумулятора. Это достигается:

1) снижением частоты тактирования в моменты, когда устройство неактивно;

2) переводом процессора в «спящий» режим (Sleep Mode), т. е. процессор останавливается и не производит никаких операций; вывод из этого состояния возможен только с помощью внешнего воздействия (нажатием клавиши, внешним сигналом и т. п.);

3) отключением неработающих устройств (подсветка дисплея, передатчик для мобильного телефона);

4) использованием пониженного напряжения питания:

- стандартное (высокое) U_п = 5 В;

- современное U_п = (1,8 ÷ 3,3) В, в этом диапазоне гарантируется устойчивая стабильная работа устройства;

- при U_п < 1,8 В возможна неадекватная работа ЦПУ, способная привести в краху системы.

Во всех устройствах происходят переходные процессы (в частности, такие процессы возникают при включении и выключении КЭШ-питания). В время переходных процессов при U_п < U_кр не гарантируется адекватная работа микропроцессора (возможно неправильное выполнение команд и нарушение данных). Для исключения этих ситуаций применяется специальная схема, следящая за U_п, т. н. супервайзер напряжения питания, который формирует сигнал RESET (имеет низкий уровень) при уменьшении напряжения питания ниже критического значения: U_п < U_кр.

 

Особенность тактирования заключается в том, что устройство переходит на пониженную частоту тактирования процессора. Работа процессора на пониженной частоте называется слип‑модой (спящий режим). В спящем режиме процессор использует частоты порядка 1…несколько десятков кГц (у главного кварцевого генератора 32768 Гц).

Источники тактирования

1. Внешний высокочастотный кварцевый генератор;

2. Внешний низкочастотный кварцевый генератор (32768 Гц). Этот же генератор тактирует часы реального времени;

3. Внутренний встроенный генератор.

В слип-моде процессор работает с источниками 2 и 3. Дополнительными мерамиэкономии заряда аккумулятора являются:

- отключение подсветки дисплея;

- отключение части периферийных устройств.

 

Процесс записи в вычислительное устройство (ВУ)

Расходование энергии

Если затвор (З) насыщен электронами, то в области между истоком (И) и стоком (С) возникает запирающее электрическое поле, и наоборот.

Чем чаще идёт ток и чаще меняется напряжение на затворе (З), тем выше потребляемая энергия.

 

Проводник имеет сопротивление, следовательно, потребляемая мощность обусловлена ненулевым сопротивлением нанопроводников, и, как следствие, выделением тепла при протекании тока (поэтому необходимо использование кулеров и воздушных охладителей).

На рисунке показан процесс записи из процессора в какое-либо устройство (WR – сигнал “write” ШУ).

Покажем переходный процесс изменения состояния разряда шины – время, необходимое для того, чтобы открылся/закрылся ключ в выходном каскаде логического элемента.

t_пп - время установки комбинации на шине, необходимое для того, чтобы все ключи у логических элементов открылись или закрылись.

t_ф - длительность фронта импульсов.

Время переходного процесса ~ …  с (например, время за которое меняется 0 на 1)

1. По переднему фронту 1 тактового импульса ТГ процессор устанавливает на ШД данные, которые записываются (двоичную комбинацию записываемого кода – База данных). До этого шина находилась в нейтральном состоянии (z-состоянии) для исключения конкуренции сигналов.

2. По переднему фронту 2 импульса ТГ процессор устанавливает на ША двоичную комбинацию номера УВВ (устройство ввода/вывода) или ячейки памяти, в которую происходит запись данных.

3. По переднему фронту 3 тактового импульса ТГ, процессор устанавливает сигнал «WR» - импульс записи – на ШУ, который производит запись в ячейку, адрес которой установлен на ША.

4. По переднему фронту 4 тактового импульса ТГ процессор снимает 2-ичные комбинации на ША и ШД и переводит их в нейтральное z-состояние, убирает сигнал “write” на ШУ, а также формирует задний фронт импульса записи.

Вопрос. Когда нет обмена данных, процессор держит ШД в нейтральном состоянии.

Ответ. Существует другой контроллер, который может выполнять эти функции (с шинами ШД и ША). В это время процессор «отдыхает».

Переходный процесс – изменение уровня с одного состояния на другое, изменение состояния на шине.

Время переходного процесса – время, за которое разряд шины изменяет своё состояние с одного на другое; оно зависит от электроники и ёмкости шины.

Все схемы основаны на полевых транзисторах.

Когда электрическое поле есть, транзистор не проводит (т.е. 0). Если нет, то транзистор проводит (т.е. 1). Современные ВУ основаны на базе полевых транзисторов, которые потребляют ток в момент открывания/закрывания (переходные процессы).

 

 

Процесс чтения в ВУ

Процесс чтения представляет собой процесс, обратный записи.

1. По переднему фронту 1 тактового импульса ТГ процессор устанавливает двоичную комбинацию адреса (номера) ячейки памяти или УВВ, из которой будет производиться чтение на ША.

2. По переднему фронту 2 тактового импульса ТГ процессор формирует передний фронт импульса чтения «RD» на ШУ. В ответ на это устройство выставляет содержимое своей ячейки на ШД.

3. По переднему фронту 3 тактового импульса ТГ процессор записывает комбинацию данных на ШД в свою ячейку (свой регистр).

По заднему фронту 3 тактового импульса процессор формирует задний фронт импульса «чтения».

4. По переднему фронту 4 тактового импульса, процессор переводит ША в нейтральное состояние, снимает сигнал “read”, и устройство, с которого производится чтение, переводит выходы, подключённые к ШД, в нейтральное z-состояние.

ША, ШД – элементы параллельного интерфейса, а не последовательного. Последовательный интерфейс используется в интернете.

ША процессора в отсутствии акта обмена данными поддерживается в z-состоянии для того, чтобы ей мог воспользоваться контроллер DMA (контроллер прямого доступа к памяти). Последний применяется для пересылки массивов данных из одной адресной области в другую без участия процессора и позволяет делать эту операцию быстрее и эффективнее, чем микропроцессор.