В чем преимущество использования электроники на базе ARM?

Контроллеры 3D - принтеров должны делать много вещей очень, очень быстро. Выполнение кинематических и динамических расчетов при отправке многих тысяч точно синхронизированных шаговых импульсов в секунду очень, очень сложно. Линейка 8-битных микроконтроллеров AVR, используемых в старых контроллерах 3D-принтеров, в основном представляет собой процессор Mr Coffee эпохи конца 1990-х годов. Они полностью, полностью исчерпали процессорное время, просто выполняя основные функции печати в простых (например, декартовых) принтерах, и добавление дополнительной вычислительной нагрузки приведет к их замедлению и замедлению, заиканию, остановке и так далее.

"Но мой 8-битный принтер работает нормально", - скажете вы. Нет, это не так. Это ограничивает производительность вашей печати, осознаете вы это или нет. Слайсеры теперь автоматически скрывают от вас многие недостатки производительности прошивки. Например, стандартная практика значительного замедления скорости печати по периметру в значительной степени является результатом того, что 8-битные процессоры не имеют достаточных ресурсов для двух вещей:

1. Выполнение расчетов центростремительного ускорения для кривых на нескольких сегментах gcode
2. В ногу с передачей/обработкой gcode и планированием движения для gcode с большим количеством очень маленьких сегментов, таких как органические модели или плавные дуги

Если представить серию очень маленьких сегментов в виде плавной дуги или сложной кривой, 8-битная прошивка, скорее всего, снизит требуемую скорость обработки команд и приведет к заиканию печати. Эти невероятно короткие паузы позволяют остаточному давлению в экструдере выталкивать лишний пластик, создавая небольшой прыщ на отпечатке. Поэтому большинство слайсеров автоматически уничтожают кривые и выводят gcode с уменьшенным разрешением, чтобы уменьшить нагрузку на встроенное ПО. Проблема решена, верно?

Но есть еще одна проблема-алгоритмы управления движением GRBL, лежащие в основе всех основных контроллеров 3D-принтеров с открытым исходным кодом, были разработаны с большим количеством ярлыков и хаков, позволяющих 8-битным процессорам работать достаточно быстро. Например, базовый алгоритм смотрит только на скорость или изменение скорости в углу между двумя сегментами и использует это, чтобы решить, когда замедляться/ускоряться по направлению движения. Он вообще не вычисляет и не учитывает центростремительное/радиальное ускорение. Это действительно эффективный хак при печати объемных моделей с низким разрешением, но он с треском проваливается на плавных кривых с множеством маленьких сегментов. Микропрограммное обеспечение не обнаруживает заметного изменения скорости в углу любых двух почти линейных сегментов внутри граненой кривой и, таким образом, не замедляется для кривой. Таким образом, сложная геометрия эффективно печатается с постоянной скоростью, без ускорения.

Неускоренные периметры печатного комплекса означают, что требуемая скорость подачи должна быть очень низкой, чтобы получить хорошее качество. Большинство принтеров имеют скорость около 40 мм/с или менее по сложным периметрам, несмотря на то, что они могут работать, возможно, 80-120 мм/с при заполнении с низкой сложностью, прежде чем перейти к другим ограничениям скорости.

Из-за ограничений скорости обработки команд и недостатков планировщика движения, требуемых процессорами с низким энергопотреблением, скорость печати на практике должна быть намного ниже, чем строго требуется физикой и оборудованием принтера. Все это происходит от 8-битных процессоров. Обходные пути и лучшие методы решения этой проблемы настолько глубоко внедрены в цепочки инструментов и экосистему, что очень немногие люди понимают, что проблема вообще существует. Но это реальный предел, который можно преодолеть: высокоскоростной процессор, работающий с более строгим планировщиком движения, может генерировать более высокие средние скорости печати при более высоком качестве печати.

Тем не менее, прошивки на базе ARM только медленно продвигаются в направлении более продвинутых планировщиков движения. Сейчас это большая область разработки, которая фактически ведет к предстоящему переходу от низкоуровневых устройств, таких как Cortex M3, к еще более быстрым процессорам. На самом деле не так уж сложно максимально использовать Arduino с частотой 84 МГц, используя множество функций встроенного ПО.

Использование 8-битных процессоров также делает принтеры БОЛЕЕ ГРОМКИМИ. Самым большим потребителем процессорного времени в типичном 8-битном принтере является шаговое прерывание, которое запускает импульсы шага, чтобы заставить двигатели двигаться. Это довольно типично для >60% всех тактовых циклов на Atmega AVR, чтобы перейти к запуску импульсов шага. Поскольку это происходит как прерывание, другие задачи обработки, которые должен выполнять принтер, такие как вычисления ускорения и управление нагревателем, втискиваются в короткие промежутки между событиями прерывания.

Без тщательного проектирования встроенного ПО шаговые импульсы полностью "вытеснят" другие функции, такие как обновление ЖК-дисплея и вычисления ускорения. Чтобы обеспечить более высокую скорость движения без использования всех ресурсов процессора, в 8-битных прошивках есть режим, называемый "удвоение шага", который запускает два (или четыре, или восемь) импульса шага на шаговое прерывание, чтобы можно было использовать половину (или четверть, или восьмую) количества шаговых прерываний для получения одинаковой скорости движения. Эта практика устраняет узкие места процессора, но она вызывает более грубое и громкое движение двигателя, потому что импульсы шага запускаются очередями, а не с постоянной частотой. По сути, уровень микрошагов двигателя функционально понижается до более грубого режима, когда шаговое прерывание запускает двойные или четырехступенчатые шаги. Таким образом, двигатели становятся громче, менее точными, и в крайних случаях могут возникнуть проблемы с резонансом.

Интересный побочный эффект заключается в том, что если вы переключите принтер на базе Marlin с 1/16 микрошагов на 1/32 микрошагов и сохраните ту же скорость печати, прошивка просто начнет удваиваться, снижая ваш эффективный уровень микрошагов обратно до 1/16.

В прошивках на базе ARM также используется удвоение шага, но допустимые скорости шага, как правило, в ~8 раз выше, чем при использовании двойного/четырехкратного шага. Это может означать более высокие скорости и/или более плавное движение.

Еще одной проблемой с 8-битными AVR является отсутствие аппаратного обеспечения с плавающей запятой и необходимость тратить много тактов на высокоточные вычисления или обработку очень больших чисел. Дельта-кинематика, функции автоматического выравнивания, расчет перемещений с чрезвычайно высоким числом шагов для больших принтеров и другие расширенные функциональные возможности-все это занимает много тактов на 8-битном процессоре. Плохой дизайн прошивки или небрежное добавление функции, требующей нескольких дополнительных квадратных корней и тригонометрических функций, может полностью заглушить процессор. Такого рода ползучесть функций и раздувание кода серьезно повлияли на производительность Marlin с течением времени, поскольку люди все больше и больше спрашивают о старом AVR.

Для сравнения, 32-битный процессор не просто имеет более быструю тактовую частоту и больше тактовых циклов, он также способен выполнять гораздо более сложную математику за меньшее количество тактов, поскольку он имеет специальную аппаратную функциональность, которая выполняет многие действия, которые 8-битный процессор должен выполнять в программном обеспечении.

Работают ли 8-битные процессоры? Конечно, они удивительно хорошо работают для того, что они есть, и для того, что мы от них требуем. Но они, несомненно, ограничивают производительность и возможности современных 3D-принтеров. Даже сегодняшнее поколение 32-битных процессоров уже максимально оснащено высокоскоростными принтерами и функциями, требующими больших вычислительных возможностей. 8-битный процессор уже на два поколения отстает от того, что можно было бы назвать "современным" контроллером 3D-принтера.