Gli errori di ingegneria non possono mai essere evitati. Non essere così ingenuo da credere che tali errori rappresentino un basso livello o una mancanza di eccellenza nelle capacità di progettazione PCB. Tuttavia, la maggior parte degli errori che gli ingegneri tendono a commettere deriva dalle loro eccessive considerazioni in termini di efficienza del sistema, integrità del segnale, basso consumo energetico e riduzione dei costi. In altre parole, quegli errori derivano dalla “bontà”. Pertanto, la consapevolezza di questa “bontà” e la tempestiva prevenzione di tali errori sono estremamente vantaggiose per la regolare realizzazione dei tuoi progetti.
Efficienza del sistema
Errore 1: Cambio casuale della CPU
Alcuni ingegneri osservano che una CPU con una frequenza di base di 100M ha una capacità di elaborazione di appena il 70% e vorrebbero sostituirla con una da 200M. In realtà, la capacità di elaborazione del sistema coinvolge tutti i tipi di elementi e, nel campo delle comunicazioni, le difficoltà si presentano sempre sulla memoria, il che significa che, nonostante l’elevata velocità della CPU, è comunque uno sforzo sprecato quando si effettuano accessi esterni a bassa velocità.
Errore 2: Una cache più grande porta a una maggiore velocità del sistema.
Il miglioramento della cache non porta necessariamente a prestazioni elevate del sistema e talvolta la disattivazione della cache comporta una velocità del sistema superiore rispetto al suo utilizzo, perché i dati che vengono spostati nella cache devono essere utilizzati più volte, altrimenti l’efficienza del sistema non aumenterà. Pertanto, in generale viene attivata solo la cache dei comandi, mentre la cache dei dati è limitata solo a uno spazio di archiviazione parziale, anche quando è abilitata.
Errore 3: Credere che l’interruzione sia più veloce della query.
L’interruzione ha una forte istantaneità ma non è necessariamente veloce. Se ci sono troppe operazioni di interruzione, il sistema andrà presto in crash a causa della discontinuità delle operazioni di interruzione. Se ci sono molti task frequenti, gran parte delle risorse della CPU verrà spesa nel costo delle interruzioni, rendendo l’efficienza del sistema estremamente bassa. Se invece si applica l’interrogazione, l’efficienza del sistema migliorerà notevolmente. Tuttavia, a volte l’interrogazione non riesce a soddisfare il requisito di istantaneità, quindi il metodo migliore è applicare l’interrogazione nel processo di interruzione.
Errore 4: La sequenza temporale alle interfacce di memoria non necessita di modifiche.
Il valore predefinito alle interfacce di memoria è interamente determinato dai parametri più conservativi e, nell’applicazione pratica, dovrebbe essere ragionevolmente modificato in base alla frequenza di funzionamento del bus e al periodo di attesa. A volte, la diminuzione della frequenza può migliorare l’efficienza.
Errore 5: Più CPU aiuteranno ad aumentare la capacità di elaborazione.
Si dice spesso che due teste sono meglio di una. Per le CPU, di solito non è vero. Il numero di CPU non può essere determinato finché non si ha una piena comprensione del sistema, poiché il coordinamento tra le CPU può costare molto.
Integrità del segnale
Errore 1: Credere eccessivamente ai dati di simulazione.
La simulazione non potrà mai essere identica all’oggetto reale e possono verificarsi differenze tra prodotti uguali anche all’interno dello stesso lotto. Inoltre, la simulazione non riesce a prendere in considerazione tutte le possibilità, in particolare il crosstalk. Pertanto, il risultato della simulazione può essere considerato solo come un riferimento.
Errore 2: Il fronte del segnale digitale dovrebbe essere il più ripido possibile.
Quanto più ripido è il fronte, tanto più ampia sarà la gamma spettrale e maggiore sarà l’energia nella parte ad alta frequenza. Allo stesso tempo, i segnali ad alta frequenza genereranno più radiazioni e interferiranno facilmente con altri segnali con scarsa qualità di trasmissione sui conduttori. Pertanto, è opportuno utilizzare il più possibile chip a bassa velocità.
Errore 3: Il numero di condensatori di disaccoppiamento dovrebbe essere il più alto possibile.
In generale, più condensatori di disaccoppiamento ci sono, più stabile sarà l’alimentazione. Tuttavia, un numero eccessivo di condensatori comporterà anche alcuni svantaggi, come uno spreco di costi, difficoltà nel routing e una corrente di spunto di alimentazione eccessiva. La chiave della progettazione della capacità di disaccoppiamento risiede nella corretta selezione e nel corretto posizionamento.
Consumo energetico
Errore 1: Trascurare il problema del consumo energetico nel caso di alimentazione a 220 V
Lo scopo della progettazione a basso consumo energetico non risiede solo nel risparmio di energia, ma anche nella riduzione del costo del modulo di alimentazione e del sistema di dissipazione del calore. È ovviamente insufficiente considerare solo l’alimentazione quando si affrontano problemi di consumo energetico, poiché il consumo è determinato principalmente dall’intensità della corrente e dalla temperatura dei componenti.
Errore 2: Tutti i segnali del bus devono essere tirati tramite resistori.
A volte, alcuni segnali devono essere polarizzati tramite resistori, ma non tutti. La corrente assorbita quando un segnale in stato puro è tirato verso l’alto o verso il basso è di appena alcune decine di microampere, mentre la corrente assorbita per il pull-up o pull-down di un segnale pilotato raggiunge il livello dei milliampere. Se tutti i segnali fossero polarizzati tramite resistori, sarebbe necessario consumare più energia sui resistori.
Errore 3: Lasciare le interfacce di I/O inutilizzate non utilizzate
Le interfacce di I/O inutilizzate su CPU e FPGA possono eventualmente diventare segnali di ingresso con oscillazioni ripetute quando subiscono anche una minima interferenza dall’ambiente esterno. Inoltre, il consumo energetico dei componenti MOS dipende fondamentalmente dal numero di commutazioni del circuito logico. Pertanto, la soluzione migliore è impostare tali interfacce come uscite che non devono essere collegate a segnali con driver.
Errore 4: Senza considerare il consumo energetico dei piccoli chip
È difficile determinare il consumo energetico di chip relativamente semplici all’interno di un sistema, poiché il consumo di energia è generalmente determinato dalla corrente sui pin. Per esempio, il consumo di potenza dell’ABT16244 è inferiore a 1 mA senza carico. Tuttavia, ciascun suo pin è in grado di pilotare un carico di 60 mA, il che significa che il consumo energetico massimo a pieno carico può raggiungere 960 mA. Si verifica una grande differenza nel consumo di energia.
Errore 5: Il superamento può essere eliminato attraverso un abbinamento eccellente.
L’overshoot è presente su quasi tutti i segnali, tranne alcuni segnali speciali come 100BASE-T o CML. Il matching non è necessario finché non è troppo elevato. Requisiti estremamente severi vengono introdotti dal matching. Per esempio, l’impedenza di uscita del TTL è inferiore a 50 Ω, in alcuni casi persino 20 Ω, e se vi si applica un matching così elevato, la corrente diventa così grande che il consumo di energia risulta inaccettabile. Inoltre, l’ampiezza del segnale diventa così piccola da non poter essere riutilizzata. A proposito, l’impedenza di uscita non è la stessa quando i normali segnali emettono livello alto e livello basso, e non si può nemmeno ottenere un matching perfetto. Pertanto, per segnali come TTL, LVDS e 422, un certo grado di disadattamento può essere accettabile per quanto riguarda l’overshoot, ed è la soluzione migliore.
Errore 6: I problemi di consumo energetico vengono attribuiti solo all'hardware.
In un sistema, l'hardware è responsabile di allestire il palcoscenico mentre il software svolge un ruolo significativo nella rappresentazione. Ogni accesso al chip e ogni inversione di segnale sono quasi interamente controllati dal software. L'implementazione di misure adeguate contribuirà notevolmente alla riduzione del consumo di energia.
Risparmio sui costi
Errore 1: Trascurare la precisione della resistenza dei resistori di pull-up/pull-down
Alcuni ingegneri non ritengono che la precisione del valore dei resistori di pull-up/pull-down sia importante. Ad esempio, tendono a scegliere a caso 5K, poiché è facile da calcolare. In realtà, però, una resistenza da 5K non esiste sul mercato dei componenti e le più vicine sono 4,99K (precisione 1%) e 5,1K (precisione 5%), i cui costi sono rispettivamente quattro volte e il doppio rispetto a quelli di 4,7K (precisione 20%). Tuttavia, i resistori con precisione del 20% sono disponibili solo nei valori di 1K, 1,5K, 2,2K, 3,3K, 4,7K e 6,8K. Confrontando 4,99K o 5,1K con precisione dell’1% con 4,7K con precisione del 20%, i primi sono chiaramente più convenienti in termini di costo.
Errore 2: Selezione casuale del colore della spia luminosa
Alcuni ingegneri scelgono il colore delle spie luminose in base alle proprie preferenze. Tuttavia, le tecnologie per le spie luminose di colore rosso, verde, giallo o arancione sono state sviluppate da diversi anni. Inoltre, il loro prezzo è estremamente basso. Al contrario, le spie luminose blu presentano una maturità tecnologica relativamente scarsa e una bassa affidabilità di approvvigionamento, con un prezzo da quattro a cinque volte superiore. Fino ad ora, le spie luminose blu sono state applicate solo in situazioni in cui altri colori non possono essere sostituiti, come l’indicazione di segnali video.
Errore 3: Applicazione del CPLD solo per ottenere il voto più alto
Alcuni ingegneri utilizzano CPLD invece del circuito logico 74** per ottenere una qualità superiore. Tuttavia, ciò comporterà costi più elevati e un notevole lavoro aggiuntivo per la produzione e la documentazione.
Errore 4: Puntare alla MEM, alla CPU e all'FPGA più veloci
Di fronte a requisiti di sistema elevati, gli ingegneri pensano semplicemente che tutti i chip debbano essere i più veloci, come MEM, CPU e FPGA. In realtà, in un sistema ad alta velocità non tutte le parti funzionano ad alta velocità. Inoltre, l’aumento della velocità di funzionamento dei componenti porta a un incremento dei costi e a una forte interferenza con l’integrità del segnale.
Errore 5: Affidarsi solo all’instradamento automatico
PerProgettazione PCBcon requisiti di progettazione bassi, alcuni ingegneri si affidano semplicemente all’instradamento automatico. L’instradamento automatico tende a causare un’area del PCB più ampia e un numero di fori passanti molte volte superiore rispetto all’applicazione dell’instradamento manuale. Poiché la larghezza delle piste e il numero di fori passanti influiscono direttamente sul rendimento del PCB e sul consumo delle punte di trapano, il costo ne risulta fortemente influenzato. Per mantenere il costo sotto controllo, è meglio sfruttare al massimo l’instradamento manuale.
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