«Разгон» AVR

В таблицах AVR в разделе «Электрические характеристики» вы обычно найдете график, подобный следующему (этот от ATMega328):

Я видел проекты, которые, кажется, «работают», но работают за пределами затененного конверта. В частности, я видел 3,3 В (Arduino) конструкции, которые запускают часы от внешнего кристалла 16 МГц. Ясно, что это вне спецификации. Каковы практические негативные последствия выхода за пределы этой оболочки?

Как сделать жизнь интереснее

• Если тебе все равно

  что ваши результаты иногда могут быть неверными,
  что ваша система может иногда падать,
  что ваша жизнь может быть более интересной,
  что ваш клон Segway лишь изредка наносит вредные побочные эффекты без видимой причины,
  что ...

  тогда непременно запустите деталь вне спецификации производителя

Вы получаете то, за что не платите.
Если у вас голова за 10 долларов, купите шлем за 10 долларов.

Это может часто работать.
Это может не работать иногда.
Может быть не очевидно, что это иногда не работает.

• Разделение может обычно работать
• Прыжок обычно может прибыть.
• Стол может быть найден правильно.

• Значение АЦП может быть правильным.

  Или не

  

При таких скоростях большинство процессоров работают, вычисляя все сигналы, которые потребуются в определенном такте, ожидая следующего фронта такта, пока они стабилизируются, фиксируя все эти сигналы и вычисляя сигналы, необходимые в следующем такте ожидание этого фронта, пока стабилизируются эти сигналы, и т. д. Если фронт тактового генератора прибывает до того, как стабилизируются необходимые сигналы, то эффект будет в том, что какой бы сигнал не стабилизировался, он может не быть зафиксирован чисто. Если это происходит в микроконтроллере, последствия могут быть непредсказуемыми - по крайней мере по двум причинам:

1. Во многих случаях скорость выполнения ограничена временем отклика флэш-массива, из которого процессор читает код. Если слишком быстрый запуск процессора приводит к неправильному чтению случайного бита здесь или там, это может привести к тому, что процессор выполнит совершенно другой код, чем предполагалось. Во многих программах даже одноразовое однобитовое неправильное чтение может радикально изменить поведение; редко бывает целесообразно делать какие-либо прогнозы относительно того, что может произойти в таких случаях. Лучшее, что можно сделать в некоторых случаях - это «защитить» определенные части программы, чтобы ошибочное выполнение было маловероятным. Например, можно оставить EEPROM защищенным до тех пор, пока он не захочет написать его, а затем использовать код, например:

   uint32_t eep_checksum, eep_addr, eep_data;
   
   #define EEPROM_WRITE (адрес, данные, предикат) \
     eep_checksum = 0xC0DEFACE, eep_addr = (адрес), eep_data = (данные), \ 
     eep_checksum + = eep_addr + eep_data, ((предикат) || HARD_CRASH ()), \
     eep_checksum + = (0xCAFEBABE - C0DEFACE), eep_do_write ()
   
   void eep_do_write (void)
   {
     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 ();
   }  
   

   Весьма маловероятно, что подпрограмма eeprom_write попытается записать данные, если только «eep_checksum = 0xC0DEFACE» не будет выполнен до загрузки адреса и данных. После выполнения этого предикат будет проверен на достоверность, прежде чем корректировать контрольную сумму до правильного значения и вызвать процедуру eeprom_store.
2. В дополнение к явным рискам, связанным с выполнением некорректного кода, еще одним источником потенциального случайного поведения является метастабильность. Обычно в любом цикле каждый триггер фиксирует максимум или минимум. Однако, если входной сигнал для триггера изменяется так же, как и часы, он может в течение некоторой произвольной продолжительности выводить странные вещи, которые могут произвольно переключаться между максимумом и минимумом в любом шаблоне до следующего тактового цикла; Вполне возможно, что некоторые устройства вниз по течению от триггера будут видеть его как «высокий», в то время как другие видят его как «низкий». Как правило, процессоры полагаются на то, что многие устройства согласны с тем, что они собираются делать. Если во время выполнения команды «уменьшить-и-ветвь-если-не-равно» некоторые схемы считают, что ветвление должно быть принято, а другие нет,

Производители задают рабочие параметры для процессоров, так что в пределах этих параметров процессоры будут просто работать. Выдвижение вещей за пределы этого конверта может снизить надежность процессора только до 99.9999999. Это может показаться не слишком злым, но пытаться диагностировать процессор, который делает что-то произвольно неправильное раз в минуту или около того (при расчете 16 МГц), не весело.

Упрощенный ответ на ваш вопрос:

Работа вне «зоны безопасной скорости» может привести к нестабильной работе вашей системы. Что это значит? Неправильные результаты расчетов, сбросы микроконтроллера и т. Д.

Если вы хотите сделать это просто для удовольствия, взгляните на эти страницы / статьи:

Разгон Arduino с охлаждением жидким азотом. 20⇒ 65,3 МГц при -196 ° C / -320 ° F

Разгон ATmega328 (30 МГц)

Еще одно соображение, которое еще не упомянуто, и которое связано не столько с работой на допустимых частотах в недопустимых диапазонах напряжения (16 МГц при 3,3 В), сколько с работой на недопустимых частотах в допустимых диапазонах напряжения (24 МГц при 5 В) - это рассеяние тепла.

Каждый раз, когда вентиль в чипе включается или выключается, он рассеивает тепло. Затвор, состоящий из полевых МОП-транзисторов, действует как переменный резистор в период между включением и выключением или выключением и включением. Этот резистор, конечно, рассеивает тепло. Чем чаще он переключается, тем меньше времени между переключениями, чтобы это тепло рассеивалось из микросхемы, и вы рискуете накопить тепло.

Следовательно, чем быстрее вы бежите, тем больше тепла может накапливаться. Вот почему процессоры ПК имеют большие вентиляторы - они переключаются так быстро, что не могут достаточно быстро отвести тепло от чипа, поэтому им нужна помощь.

Максимальная номинальная скорость микросхемы выбирается таким образом, чтобы микросхема надежно рассеивала тепло, выделяемое при действительных условиях эксплуатации (например, при температуре окружающей среды, обычно не более 85 ° С или 105 ° С, например). Превышение этой частоты может привести к перегреву микросхемы.

Да, чип можно запустить быстрее, чем предполагалось, если вы предоставите некоторую помощь - например, радиатор и, возможно, вентилятор, и убедитесь, что вокруг него хороший поток воздуха. Но, конечно, в теплый летний день вы можете найти то, что было отлично работающим устройством, всю зиму вдруг начинает делать странные вещи.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, это скорость убывания. Сигналы часов (и другие сигналы тоже) требуют времени, чтобы подняться или упасть до желаемого уровня. Если внутренняя часть чипа означает, что синхросигналу требуется, скажем, 15 нс, чтобы подняться с НИЗКОГО на ВЫСОКОЕ, и вы пытаетесь синхронизировать его с частотой, на которой период ВЫСОКОГО значения, например, 42 нс (24 МГц), оставляет только 27 нс действительного тактового сигнала период остался. Это всего лишь 64% часов, которые на самом деле являются тактовым сигналом - остальное мусор. То же самое для выводов ввода / вывода. Такие вещи, как выходы тактового сигнала SPI, будут ограничены скоростью нарастания вывода IO, поэтому, если вы разгоните свой чип, чтобы получить более быстрый SPI, вы обнаружите, что все не всегда идет так, как запланировано, как хорошая прямоугольная волна, которую вы ожидаете от выходного сигнала тактовой частоты. больше не квадратный

Устройство может не работать при некотором сочетании напряжения и температуры.