計算機領域的超頻技術已存在多年,，其目的就是有意識地讓系統(tǒng)超越工作極限,，實現(xiàn)最大性能，但這通常會減少設備的使用壽命且難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。許多系統(tǒng)設計人員都認為超頻技術除了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性之外一文不值,，但實際它也有一些潛在的好處：可以為我們確定實際系統(tǒng)總時序預算(TTB)裕度以及估算產(chǎn)品現(xiàn)場使用壽命提供有益信息。超頻技術正在發(fā)展為一種稱為“時鐘裕度”的新技術,，該技術可確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行,。此外，本文還將探討如何利用可編程時鐘源來實現(xiàn)時鐘裕度技術,，確保在臨界條件下的真正系統(tǒng)穩(wěn)定性,。
很多讀者對上世紀80年代和90年代初期的PC平臺可能記憶猶新，這種平臺都帶有一個所謂加速模式(turbo mode)按鍵,。我喜歡按下加速模式按鍵,，并觀察顯示數(shù)字的變化?？蛇@些數(shù)字到底意味著什么呢,？按下這個按鍵，首先是自我感覺良好,，認為自己正在體驗一種極限計算性能,，可謂物超所值，畢竟當年的一部臺式機價值2500美元,。我也很清楚,，要是覺得加速模式下性能不穩(wěn)定，那么總可以返回正常模式,，以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。坦率地說，實際上我從未在正常模式下工作過,，相信其他人也一樣,。當然，加速模式是一柄雙刃劍，人們一直批評它會造成系統(tǒng)崩潰,，而且還會擔心一旦風扇失靈,，就會把CPU燒壞報廢掉。
實際上,，過去的加速模式就是我們今天所說的超頻技術,。其實基本概念并沒變，都是要接近或超越系統(tǒng)的計算速度極限,，將系統(tǒng)推到穩(wěn)定與不穩(wěn)定的邊緣,。想到超頻技術時，總是自然而然地想到PC,。除了超頻技術帶來的問題之外,，能不能通過超頻技術(即以超頻為工具)找到系統(tǒng)的弱點呢？能不能通過一種結構化的“試驗設計”,，讓邏輯中最薄弱的一環(huán)自動暴露出來呢,？能不能通過超頻技術來準確判斷系統(tǒng)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的確切臨界點呢？我們的分析還會不會提供一些隱性的有價值信息,，有助于推測系統(tǒng)老化影響帶來的早期故障問題,？如果認為超頻的好處是讓系統(tǒng)達到穩(wěn)定工作的極限，那么降頻又會怎么樣呢,？通常認為超頻主要就是修改設置時間,，而降頻就是修改保存時間。要討論超頻或降頻,，就需要給系統(tǒng)“標稱”響應定義一個參考基準,。系統(tǒng)設計人員應當根據(jù)系統(tǒng)組件數(shù)據(jù)表提供的有關制造規(guī)范建立一個標稱響應的標準。
總時序預算
首先介紹一些涵蓋關于超頻概念的新術語,。總時序預算(TTB)與超頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件密切相關,?？倳r序預算是指系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的性能。根據(jù)這個定義,，我們可以明確理性條件下系統(tǒng)的邊界時序性能限定,。總時序預算是指系統(tǒng)的整體邊界性能極限條件下的,，既包括超頻和降頻時的體驗效果,。我們往往要通過實踐分析來獲得總時序預算參數(shù)，數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容不能提供這種最大和最小容限規(guī)范,。根據(jù)定義,，數(shù)據(jù)表提供的是系統(tǒng)“標稱”的時鐘速度(位于最大和最小指標之間)，是構成整體系統(tǒng)的設備選擇的內(nèi)在特性。在分析系統(tǒng)總時序預算的時候,，會發(fā)現(xiàn)標稱數(shù)值與總時序預算數(shù)值之間存在一定的性能差或者頻率差,。系統(tǒng)電壓與溫度都會影響總時序預算，為了獲得一致性的結果,，必須考慮這些影響因素,。
始終裕度
時鐘裕度(clock margining)也是一個有趣的術語。其含義包含的不僅僅是超頻的概念,。時鐘裕度的概念是指我們通過全面的回歸測試,、根據(jù)總時序預算數(shù)據(jù)來探索并得出系統(tǒng)的穩(wěn)定性參數(shù)。通過時鐘裕度,，讓小部分軟件超頻運行,，能全面了解系統(tǒng)的工作性能極限?？稍诋a(chǎn)品壽命周期中隔一定時期就進行一次時鐘裕度檢測,，了解實際性能與標稱性能的差別，從而了解產(chǎn)品性能變化的趨勢,。這種趨勢有助于估計系統(tǒng)什么時候會達到壽命終點,。系統(tǒng)制造后不久，會進行一次參照時鐘裕度性能差檢測,，這通?？山⑵鹨粋€極限性能基準。隨著產(chǎn)品的老化,，在實際的測試中首次極限性能與標稱的差距最大,，以后每次檢測都會發(fā)現(xiàn)差距在縮小。
系統(tǒng)老化
系統(tǒng)老化這是一個老生常談的問題了,，也是一個有趣的問題,。世界上沒有完美的產(chǎn)品，硅芯片制造也一樣,。硅芯片的封裝會對產(chǎn)品使用壽命產(chǎn)生很大影響,，因為封裝技術密封性不好，硅芯片會暴露于外界環(huán)境,。從硅芯片的角度來說,，熱載流子注入的自然效應與電子移動的細微效果會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。熱量會加速硅芯片的老化,。老化作為一種靈敏度參數(shù)來說,，則體現(xiàn)在總時序預算數(shù)據(jù)上。通過超頻與降頻對比,，發(fā)現(xiàn)超頻對系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力最大,，這也是性能差分析的基本方法。
時鐘裕度的實施
上面談論了這么多關于時鐘裕度技術的話題，那么怎樣才能實施時鐘裕度技術呢,？首先,，我們要知道，最先進的系統(tǒng)通常包括眾多時鐘源,。在多數(shù)情況下,，時鐘間存在相互依賴的關系，但有時也會存在獨立的時鐘?，F(xiàn)在,，常見的時鐘源通常采用鎖相環(huán)技術，確保噪聲最小化,，這使得新一代鎖相環(huán)技術產(chǎn)生的時鐘源具有較小的抖動,，同時在相位噪聲性能方面優(yōu)于固定的時鐘源。鎖相環(huán)通常作為帶可編程分壓器的時鐘合成器,，可支持多種時鐘輸出的合成,，而且相互依賴的不同時鐘之間可建立不同的“分頻比”。分頻比是PC時鐘領域的過時術語,，但對任何相互依賴的時鐘問題來說仍然適用,。
為了成功實現(xiàn)時鐘裕度功能，其必須內(nèi)置頻率調節(jié)的功能,。變頻功能在實際上可能比最初設想的要更困難,，因為我們必須全面了解鎖相環(huán)技術的性能，不僅要了解工作期間可以實現(xiàn)的目標頻率,，還要了解不同反饋編程條件下的相位噪聲與抖動性能,。基于時域的抖動是我們需要了解的重要內(nèi)容,，這樣才能確保不同頻率之間的一致性(不能突然斷開),，否則系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析就會出錯。如果發(fā)生了不連續(xù)的抖動情況,，也不會出現(xiàn)太大麻煩,，可以通過多個特定的輸出頻率開槽或所需的分頻比來解決。此外,，應當確保開槽不要在頻率變化期間進行，除非鎖相環(huán)的設置在CPU對任何形式的開槽和短脈沖不敏感的間隔中進行,。
確?？倳r序預算正確的技巧就是，應當了解哪些頻率范圍表現(xiàn)較好,，這樣就能小心地通過逐步逼近的辦法接近總時序預算目標,，而每一步的變化量可能有差別。如果頻率變化較大，那么通常會導致總時序預算差別結果較小,?？倳r序預算邊界檢測要求最終肯定要突破系統(tǒng)的界限，然后重啟并略微后退一些,，直至獲得滿意的一致性閾值為止,。有許多沒有文件記載的“小竅門”可以完成此項工作。建立系統(tǒng)總時序預算的關鍵就是一致性與可重復性,。
正如前面簡單談到的那樣,，執(zhí)行時鐘裕度工作所發(fā)現(xiàn)的最重要信息就是在產(chǎn)品投入使用后估算出實際的產(chǎn)品使用壽命終結時間。本文分析的目的就是要通過時鐘裕度來計算產(chǎn)品的標稱性能與總時序預算之間的差異,，以備后續(xù)之需,。在幾周、幾個月乃至幾年的時間里,，投入實際使用的產(chǎn)品運行相同的回歸進程,，重復計算性能差異。我認為,，能夠體現(xiàn)產(chǎn)品使用壽命結束的情況就是在性能差為零或為負值,。這并不是說系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而只是說沒有性能差了,，說明產(chǎn)品已經(jīng)到了使用壽命的終點,。無論采用何種產(chǎn)品支持方式，如果性能差為零,，則說明產(chǎn)品的使用壽命已經(jīng)結束了,，這一信息對那些需要全天候持續(xù)工作的系統(tǒng)來說是至關重要的。如圖1所示,，根據(jù)歷史性能差信息預測出了性能差為零的時間,。通過簡單的線性分析或非線性曲線分析，可以估計得出產(chǎn)品使用壽命結束的時間,。
圖 1：系統(tǒng)使用壽命估算分析圖。
在溫度與電壓等外部因素已知,、記錄且匹配的情況下進行未來回歸檢測,，確保符合時鐘裕度技術的準確性。圖1顯示了超頻工作情況下的時鐘裕度性能差為正值的變化圖,，此原理也適用于降頻工作的情況,。不過，在降頻工作情況下,，性能差的變動不會太大且基本保持穩(wěn)定,。這里將降頻工作情況下的時鐘裕度差值設為正值,。
在時鐘裕度技術的實施過程中，通過不斷調整來修正鎖相環(huán)時鐘源或其他時鐘源,。圖2顯示了一個采用時鐘裕度技術的簡單的鎖相環(huán)進程的一級方案,。管理系統(tǒng)的最佳方法之一，就是采用看門狗計時器,，成功完成回歸檢測后,，軟件就會重新設置計時器，而系統(tǒng)故障則會導致看門狗計時器超時,。反復進行上述工作,，重復檢測回歸計算，存儲鎖相環(huán)頻率內(nèi)容,，進程不斷重復進行直到出現(xiàn)故障,。如前所述，不斷趨近總時序預算極限的過程中,，可以了解鎖相環(huán)參數(shù)與系統(tǒng)步進變化大小的靈敏度,，越接近總時序預算標準極限，步進改變就越小,。這樣,，就要多次循環(huán)上述工作，直到取到最后一次成功檢測參數(shù)為止,，超過這個回歸檢測界限,，系統(tǒng)就會出故障。因此最后一個已知的成功回歸檢測結果就是總時序預算的極限,。
圖 2：采用時鐘裕度技術的簡單的鎖相環(huán)進程。
本文小結
測試時鐘裕度性能差的過程,，也就是了解總時序預算極限的過程,，對了解如何發(fā)掘系統(tǒng)的全部潛力很有用。時鐘裕度技術有助于找到系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié),，還能不斷調節(jié)并創(chuàng)建一個匹配的系統(tǒng),，以防止系統(tǒng)超過總時序預算極限發(fā)生災難性后果?？倳r序預算可以幫助我們明確時鐘裕度性能差,，估算出產(chǎn)品投入使用后的使用壽命。為了實現(xiàn)上述功能,，時鐘裕度技術的核心就是可編程的鎖相環(huán),。通過參考PLL環(huán)路編程進程的有關討論，驗證了使用硬件計時器與非易失性存儲設備有助于簡化管理工作,，明確總時序預算極限,。