Konstruktionsfehler lassen sich niemals vollständig vermeiden. Es wäre töricht zu glauben, dass solche Fehler für ein niedriges Niveau oder einen Mangel an Exzellenz in der Leiterplattendesign-Fähigkeit stehen. Die meisten Fehler, die Ingenieure zu machen pflegen, entstehen jedoch aus ihren übermäßigen Überlegungen in Bezug auf Systemeffizienz, Signalintegrität, geringen Energieverbrauch und Kosteneinsparung. Anders ausgedrückt, diese Fehler resultieren aus „Gutmütigkeit“. Daher ist das Bewusstsein für diese „Gutmütigkeit“ und das rechtzeitige Vermeiden solcher Fehler von großem Nutzen für die reibungslose Umsetzung Ihrer Projekte.
Systemeffizienz
Fehler 1: Zufälliger Wechsel der CPU
Einige Ingenieure stellen fest, dass eine CPU mit einer Grundfrequenz von 100M nur über 70 % Verarbeitungskapazität verfügt und möchten sie durch eine mit 200M ersetzen. Tatsächlich umfasst die Verarbeitungskapazität eines Systems alle möglichen Faktoren, und im Kommunikationsbereich treten die Schwierigkeiten meist beim Speicher auf. Das bedeutet, dass trotz einer hohen CPU-Geschwindigkeit der Aufwand vergeblich ist, wenn auf externe Speicher mit niedriger Geschwindigkeit zugegriffen wird.
Fehler 2: Ein größerer Cache führt zu einer höheren Systemgeschwindigkeit.
Die Verbesserung des Caches führt nicht zwangsläufig zu einer hohen Systemleistung, und manchmal führt das Abschalten des Caches zu einer höheren Systemgeschwindigkeit als seine Verwendung, weil die in den Cache verschobenen Daten mehrfach genutzt werden müssen, damit die Systemeffizienz steigt. Daher wird im Allgemeinen nur der Befehlscache aktiviert, während der Datencache selbst bei Aktivierung nur auf einen begrenzten Speicherbereich beschränkt ist.
Fehler 3: Zu glauben, dass Unterbrechung schneller ist als eine Anfrage.
Unterbrechungen besitzen eine starke Unmittelbarkeit, sind aber nicht unbedingt schnell. Wenn es zu viele Unterbrechungsaufgaben gibt, wird das System aufgrund der Diskontinuität der Unterbrechungen bald zusammenbrechen. Wenn es viele häufige Aufgaben gibt, wird ein großer Teil der CPU-Ressourcen für die Kosten der Unterbrechungen aufgewendet, sodass die Systemeffizienz extrem niedrig wird. Wird stattdessen Abfrage (Polling) eingesetzt, verbessert sich die Systemeffizienz erheblich. Manchmal kann das Abfragen jedoch die Anforderung an Unmittelbarkeit nicht erfüllen, daher besteht die beste Methode darin, Abfragen im Verlauf der Unterbrechung anzuwenden.
Fehler 4: Die Zeitabfolge an Speicher-Schnittstellen muss nicht angepasst werden.
Der Standardwert an den Speicher-Schnittstellen wird vollständig durch die konservativsten Parameter bestimmt und sollte in der praktischen Anwendung entsprechend der Busbetriebsfrequenz und der Wartezeit sinnvoll angepasst werden. Manchmal kann eine Verringerung der Frequenz die Effizienz verbessern.
Fehler 5: Mehr CPUs werden dazu beitragen, die Verarbeitungskapazität zu erhöhen.
Es heißt oft, dass zwei Köpfe besser sind als einer. Für CPUs stimmt das in der Regel nicht. Die Anzahl der CPUs kann erst bestimmt werden, wenn das System vollständig verstanden ist, da die Koordination zwischen den CPUs sehr kostspielig sein kann.
Signalintegrität
Fehler 1: Ein übermäßiger Glaube an Simulationsdaten.
Simulation kann niemals vollständig mit dem praktischen Objekt übereinstimmen, und es können Unterschiede zwischen denselben Produkten selbst innerhalb derselben Charge auftreten. Darüber hinaus berücksichtigt die Simulation nicht alle Möglichkeiten, insbesondere nicht das Übersprechen. Daher können Simulationsergebnisse nur als Referenz betrachtet werden.
Fehler 2: Die Flanke eines Digitalsignals sollte so steil wie möglich sein.
Je steiler die Flanke ist, desto breiter wird der Spektralbereich sein und desto mehr Energie wird im Hochfrequenzanteil liegen. Gleichzeitig erzeugen hochfrequente Signale mehr Strahlung und können leicht andere Signale mit schlechter Übertragungsqualität auf Leitungen stören. Daher sollten möglichst viele Low-Speed-Chips eingesetzt werden.
Fehler 3: Entkopplungskondensatoren sollten so zahlreich wie möglich sein.
Im Allgemeinen gilt: Je mehr Entkopplungskondensatoren vorhanden sind, desto stabiler ist die Stromversorgung. Zu viele Kondensatoren führen jedoch auch zu Nachteilen wie höheren Kosten, erschwerter Leiterbahnführung und zu großen Einschaltstromimpulsen. Der Schlüssel zur Gestaltung der Entkopplungskapazität liegt in der richtigen Auswahl und Platzierung.
Energieverbrauch
Fehler 1: Vernachlässigung des Energieverbrauchs bei einer Versorgung mit 220 V
Der Zweck eines Designs mit geringem Energieverbrauch liegt nicht nur in der Einsparung von Strom, sondern auch in der Senkung der Kosten für das Stromversorgungsmodul und das Kühlsystem. Es ist offensichtlich unzureichend, nur die Stromversorgung zu berücksichtigen, wenn man sich mit Fragen des Energieverbrauchs befasst, da der Energieverbrauch größtenteils durch die Höhe des Stroms und die Temperatur der Bauteile bestimmt wird.
Fehler 2: Alle Bussignale sollten über Widerstände gezogen werden.
Manchmal müssen Signale durch Widerstände gezogen werden, aber nicht alle. Der Strom, der verbraucht wird, wenn ein reines Signal hoch- oder heruntergezogen wird, beträgt nur einige Dutzend Mikroampere, während der Stromverbrauch beim Hoch- oder Herunterziehen eines getriebenen Signals den Milliampere-Bereich erreicht. Wenn alle Signale durch Widerstände gezogen werden, muss mehr Energie an den Widerständen umgesetzt werden.
Fehler 3: Ungenutzte E/A-Schnittstellen ungenutzt lassen
Unbenutzte E/A-Schnittstellen auf CPU und FPGA können möglicherweise zu Eingangssignalen mit wiederholten Oszillationen werden, wenn sie selbst nur geringfügigen Störungen aus der Umgebung ausgesetzt sind. Außerdem hängt der Energieverbrauch von MOS-Bauelementen im Wesentlichen von der Anzahl der Umschaltvorgänge der Gatterstufe ab. Daher besteht die beste Lösung darin, diese Schnittstellen als Ausgänge zu konfigurieren, die nicht mit Signalen mit Treibern verbunden werden dürfen.
Fehler 4: Ohne den Energieverbrauch kleiner Chips zu berücksichtigen
Es ist schwierig, den Energieverbrauch relativ einfacher Chips innerhalb eines Systems zu bestimmen, da der Energieverbrauch im Allgemeinen durch den Strom an den Pins bestimmt wird. Zum Beispiel beträgt die Leistungsaufnahme des ABT16244 ohne Last weniger als 1 mA. Allerdings ist jeder seiner Pins in der Lage, eine Last von 60 mA zu treiben, was bedeutet, dass der maximale Energieverbrauch bei voller Belastung 960 mA erreichen kann. Es entsteht ein großer Unterschied im Energieverbrauch.
Fehler 5: Überschwingen kann durch exzellente Anpassung eliminiert werden.
Überschwingen tritt bei fast allen Signalen auf, mit Ausnahme einiger spezieller Signale wie 100BASE‑T oder CML. Eine Anpassung ist nicht notwendig, solange es nicht zu groß ist. Durch die Anpassung werden extrem hohe Anforderungen hervorgerufen. Zum Beispiel ist die Ausgangsimpedanz von TTL kleiner als 50 Ω, bei manchen sogar 20 Ω, und wenn eine so starke Anpassung daran vorgenommen wird, wird der Strom so groß, dass der Energieverbrauch nicht mehr akzeptabel ist. Außerdem wird die Signalamplitude so klein, dass sie nicht mehr weiterverwendet werden kann. Übrigens ist die Ausgangsimpedanz bei gewöhnlichen Signalen im High‑Level‑ und im Low‑Level‑Zustand nicht gleich, und eine perfekte Anpassung kann ebenfalls nie erreicht werden. Daher ist es für Signale wie TTL, LVDS und 422 akzeptabel, ein gewisses Überschwingen zuzulassen; dies ist die beste Lösung.
Fehler 6: Probleme beim Energieverbrauch werden ausschließlich der Hardware zugeschrieben.
In einem System ist die Hardware dafür verantwortlich, eine Bühne bereitzustellen, während die Software eine bedeutende Rolle in dem Stück spielt. Jeder Chipzugriff und jede Umkehrung eines Signals werden nahezu vollständig von der Software gesteuert. Die Umsetzung geeigneter Maßnahmen wird erheblich zur Verringerung des Energieverbrauchs beitragen.
Kosteneinsparung
Fehler 1: Vernachlässigung der Widerstandsgenauigkeit von Pull-up-/Pull-down-Widerständen
Einige Ingenieure sind der Meinung, dass die Widerstandsgenauigkeit von Pull-up-/Pull-down-Widerständen keine Rolle spielt. Sie neigen zum Beispiel dazu, zufällig 5 kΩ zu wählen, da sich damit leicht rechnen lässt. Tatsächlich jedoch existiert ein Widerstand von 5 kΩ im Bauteilmarkt nicht, und das Nächstliegende ist 4,99 kΩ (Genauigkeit 1 %) und 5,1 kΩ (Genauigkeit 5 %), deren Kosten jeweils viermal bzw. doppelt so hoch sind wie die von 4,7 kΩ (Genauigkeit 20 %). Widerstände mit einer Genauigkeit von 20 % gibt es jedoch nur in den Werten 1 kΩ, 1,5 kΩ, 2,2 kΩ, 3,3 kΩ, 4,7 kΩ und 6,8 kΩ. Vergleicht man 4,99 kΩ oder 5,1 kΩ mit 1 % Genauigkeit mit 4,7 kΩ mit 20 % Genauigkeit, sind erstere offensichtlich kosteneffizient.
Fehler 2: Zufällige Auswahl der Signalleuchtenfarbe
Einige Ingenieure wählen die Farbe der Signalleuchte nach persönlicher Vorliebe aus. Allerdings sind Technologien für Signalleuchten in den Farben Rot, Grün, Gelb oder Orange bereits seit einigen Jahren entwickelt. Darüber hinaus sind ihre Preise äußerst niedrig. Im Gegensatz dazu weisen blaue Signalleuchten einen vergleichsweise geringen technologischen Reifegrad und eine niedrige Versorgungssicherheit auf, bei einem Preis, der vier- bis fünfmal höher ist. Bis heute werden blaue Signalleuchten nur in Situationen eingesetzt, in denen andere Farben keinesfalls ersetzt werden können, wie etwa bei der Videosignalanzeige.
Fehler 3: Einsatz von CPLD nur für die Bestnote
Einige Ingenieure setzen CPLDs anstelle von 74**-Gatter-Schaltungen für hochwertige Ausführungen ein. Dies führt jedoch zu höheren Kosten sowie zu erheblichem Mehraufwand bei Produktion und Dokumentation.
Fehler 4: Das Streben nach dem schnellsten MEM, CPU und FPGA
Mit hohen Systemanforderungen konfrontiert, denken Ingenieure oft, dass alle Chips wie Speicher, CPU und FPGA die schnellsten sein müssen. Tatsächlich arbeiten in einem Hochgeschwindigkeitssystem nicht alle Teile mit hoher Geschwindigkeit. Darüber hinaus führt die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit von Komponenten zu steigenden Kosten und zu erheblichen Beeinträchtigungen der Signalintegrität.
Fehler 5: Sich nur auf die automatische Weiterleitung verlassen
FürPCB-DesignBei geringen Designanforderungen verlassen sich einige Ingenieure lediglich auf das automatische Routing. Automatisches Routing führt tendenziell zu einer größeren Leiterplattenfläche und zu deutlich mehr Durchkontaktierungen als der Einsatz manueller Leitungsführung. Da Leiterbahnbreite und Anzahl der Durchkontaktierungen den Ertrag der Leiterplatte und den Bohrerverschleiß direkt beeinflussen, wirkt sich dies stark auf die Kosten aus. Um die Kosten unter Kontrolle zu halten, ist es daher besser, das manuelle Routing bestmöglich zu nutzen.
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