"Overclocking" sebuah AVR

Dalam lembar data AVR di bawah bagian Karakteristik Listrik, Anda biasanya akan menemukan grafik seperti ini (yang ini dari ATMega328):

Saya telah melihat desain yang tampaknya "bekerja" tetapi beroperasi di luar amplop teduh. Secara khusus, saya telah melihat desain 3.3V (Arduino) yang menjalankan jam dari kristal 16MHz eksternal. Jelas, ini di luar spesifikasi. Apa konsekuensi negatif praktis dari menjalankan di luar amplop ini?

Cara membuat hidup lebih menarik 101:

• Jika kamu tidak peduli

  bahwa hasil Anda kadang-kadang mungkin salah,
  bahwa sistem Anda terkadang macet,
  bahwa hidup Anda mungkin lebih menarik,
  bahwa kloning Segway Anda hanya sesekali melakukan face-plant tanpa alasan yang jelas,
  bahwa ...

  kemudian dengan segala cara menjalankan bagian di luar spesifikasi pabrikan

Anda mendapatkan apa yang tidak Anda bayar.
Jika Anda memiliki kepala $ 10, beli helm $ 10.

Mungkin sering berhasil.
Terkadang mungkin tidak berhasil.
Mungkin tidak jelas bahwa kadang-kadang tidak berfungsi.

• Pemisahan biasanya berhasil
• Lompatan biasanya tiba.
• Sebuah tabel dapat dilihat dengan benar.

• Nilai ADC mungkin benar.

  Atau tidak

  

Pada kecepatan seperti ini, sebagian besar prosesor bekerja dengan menghitung semua sinyal yang akan diperlukan pada siklus jam tertentu, menunggu tepi jam berikutnya sementara mereka stabil, mengunci semua sinyal dan menghitung sinyal yang diperlukan pada siklus jam berikutnya , menunggu tepi itu sementara sinyal-sinyal tersebut stabil, dll. Jika tepi jam tiba sebelum sinyal-sinyal yang diperlukan telah stabil, efeknya adalah bahwa sinyal mana pun yang belum stabil mungkin tidak terkunci dengan benar. Jika ini terjadi pada mikrokontroler, efeknya mungkin tidak dapat diprediksi - setidaknya karena dua alasan:

1. Dalam banyak kasus, kecepatan eksekusi dibatasi oleh waktu respons larik flash tempat prosesor membaca kode. Jika menjalankan prosesor terlalu cepat menyebabkan bit sesekali menjadi salah baca di sini atau di sana, itu dapat dengan mudah menyebabkan prosesor mengeksekusi kode yang sama sekali berbeda dari apa yang dimaksudkan. Dalam banyak program, bahkan kesalahan satu bit satu kali saja dapat secara radikal mengubah perilaku; jarang praktis untuk mencoba membuat prediksi tentang apa yang mungkin terjadi dalam kasus-kasus seperti itu. Yang terbaik dapat dilakukan dalam beberapa kasus adalah "pelindung" bagian-bagian tertentu dari program sehingga membuat eksekusi yang salah tidak mungkin. Misalnya, seseorang dapat membiarkan EEPROM terlindungi sampai seseorang ingin menulisnya, dan kemudian menggunakan kode seperti:

   uint32_t eep_checksum, eep_addr, eep_data;
   
   #define EEPROM_WRITE (alamat, data, predikat) \
     eep_checksum = 0xC0DEFACE, eep_addr = (alamat), eep_data = (data), \ 
     eep_checksum + = eep_addr + eep_data, ((predikat) || HARD_CRASH ()), \
     eep_checksum + = (0xCAFEBABE - C0DEFACE), eep_do_write ()
   
   membatalkan eep_do_write (batal)
   {
     ENABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
     if (eep_checksum! = eep_addr + eep_data + 0xCAFEBABE)
     {
       DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
       HARD_CRASH ();
     }
     DO_EEPROM_WRITE ();
     DISABLE_EEPROM_WRITE_HARDWARE ();
   }  
   

   Sangat tidak mungkin bahwa rutin eeprom_write akan berusaha menulis data kecuali "eep_checksum = 0xC0DEFACE" dijalankan sebelum alamat dan data dimuat. Setelah eksekusi itu, predikat akan diperiksa validitasnya sebelum menyesuaikan checksum ke nilai yang tepat dan memanggil rutin eeprom_store.
2. Selain risiko yang jelas yang ditimbulkan oleh mengeksekusi kode yang salah, sumber lain perilaku acak potensial adalah metastabilitas. Biasanya, pada siklus apa pun, setiap flip flop akan mengunci tinggi atau rendah. Namun, jika input ke flip flop berubah tepat ketika jam tiba, mungkin untuk beberapa durasi waktu sewenang-wenang hal-hal aneh yang dapat berubah secara acak antara tinggi dan rendah, dalam pola apa pun, sampai siklus clock berikutnya; sangat mungkin bahwa beberapa perangkat hilir dari flip flop akan melihatnya sebagai "tinggi" sementara yang lain melihatnya sebagai "rendah". Secara umum, prosesor mengandalkan banyak perangkat yang menyetujui apa yang akan mereka lakukan. Jika selama pelaksanaan instruksi "pengurangan-dan-cabang-jika-tidak-sama", dan beberapa sirkuit berpikir cabang harus diambil tetapi yang lain tidak,

Produsen menentukan parameter operasi untuk prosesor sedemikian rupa sehingga, dalam parameter tersebut, prosesor hanya akan berfungsi. Mendorong hal-hal di luar amplop dapat mengurangi prosesor menjadi hanya 99,9999999 dapat diandalkan. Itu mungkin kedengarannya tidak terlalu jahat, tetapi mencoba mendiagnosis prosesor yang melakukan kesalahan semau satu menit atau lebih (mencari 16MHz) tidak menyenangkan.

Jawaban sederhana untuk pertanyaan Anda:

Bekerja di luar "area kecepatan aman" dapat menyebabkan sistem Anda tidak stabil. Apa itu artinya? Hasil perhitungan yang salah, pengaturan ulang mikrokontroler dll.

Jika Anda ingin melakukannya hanya untuk bersenang-senang, Anda harus melihat halaman / artikel ini:

Overclocking Arduino dengan pendingin nitrogen cair. 20⇒65.3Mhz @ -196 ° C / -320 ° F

ATmega328 Overclock (30MHz)

Satu pertimbangan belum disebutkan, yang kurang berkaitan dengan operasi pada frekuensi yang valid dalam rentang tegangan tidak valid (16MHz pada 3,3V) tetapi lebih terkait dengan berjalan pada frekuensi tidak valid pada rentang tegangan yang valid (24MHz pada 5V) adalah pembuangan panas.

Setiap kali gerbang dalam chip menyala atau mati, panasnya akan hilang. Gerbang, yang terdiri dari MOSFET, bertindak seperti resistor variabel pada periode antara AKTIF dan MATI, atau MATI dan AKTIF. Resistor itu tentu saja menghilangkan panas. Semakin sering ia beralih, semakin sedikit waktu yang ada di antara pergantian untuk panas yang hilang dari chip, dan Anda berisiko penumpukan panas.

Ergo, semakin cepat Anda berlari, semakin banyak panas yang menumpuk. Itulah mengapa CPU PC memiliki penggemar besar - mereka beralih begitu cepat sehingga tidak bisa mengeluarkan panas dari chip dengan cukup cepat, sehingga mereka membutuhkan bantuan.

Kecepatan nilai tertinggi dari chip dipilih untuk memungkinkan chip untuk membuang penumpukan panasnya secara andal di bawah kondisi operasi yang valid (misalnya, suhu sekitar, biasanya maks 85 ° C atau 105 ° C misalnya). Melebihi frekuensi itu dapat menyebabkan chip menjadi terlalu panas.

Ya, adalah mungkin untuk menjalankan chip lebih cepat dari yang dimaksudkan jika Anda memberikan bantuan - yaitu, pendingin dan mungkin kipas, dan memastikan ada aliran udara yang baik di sekitarnya. Tapi tentu saja, pada hari yang hangat di musim panas Anda mungkin menemukan apa yang berfungsi dengan baik sepanjang musim dingin tiba-tiba mulai melakukan hal-hal aneh.

Satu hal yang perlu dipertimbangkan adalah tingkat perubahan harga. Sinyal jam (dan sinyal lain juga) membutuhkan waktu untuk naik atau turun ke level yang diinginkan. Jika internal chip berarti sinyal clock membutuhkan waktu 15ns untuk naik dari RENDAH ke TINGGI, dan Anda mencoba dan clock pada frekuensi di mana periode TINGGI adalah, katakanlah 42ns (24MHz), yang hanya menyisakan 27ns dari jam yang valid periode tersisa. Itu hanya 64% dari jam yang benar-benar menjadi sinyal jam - sisanya adalah sampah. Hal yang sama untuk pin IO. Hal-hal seperti output clock SPI akan dibatasi oleh laju perubahan pin IO, jadi jika Anda overclock chip Anda untuk mendapatkan SPI lebih cepat, Anda akan menemukan hal-hal tidak selalu berjalan sesuai rencana, seperti gelombang persegi bagus yang Anda harapkan dari output clock tidak persegi lagi.

Perangkat mungkin tidak berfungsi pada kombinasi tegangan / suhu.