Sinal do relógio
O uso de um sinal de relógio (também apenas relógio; sinal de relógio inglês ou relógio ) é um método para garantir o tempo correto ao operar um circuito eletrônico. Em particular, muitos circuitos digitais requerem um sinal correspondente para a coordenação temporal ou sincronização das ações de vários circuitos (em particular o de flip-flops ) dentro de sistemas digitais complexos ( mecanismos de comutação ). Além disso, a frequência do sinal do relógio pode servir como frequência de referência; assim, garante que os relógios eletrônicos, por exemplo, funcionem perfeitamente. Certos circuitos analógicos, por exemplo , filtros de capacitores comutados , também exigem uma frequência de clock exata.
Normalmente é um sinal periódico que se caracteriza por sua freqüência (chamada freqüência de clock ou taxa de clock ) ou seu valor recíproco ( duração do período ). Ele alterna entre dois níveis lógicos , marcados no esboço adjacente com H para alto e L para baixo . Um exemplo proeminente de um sinal de relógio é o relógio do sistema ( relógio do sistema ) da velocidade de operação de muitos componentes, em particular em um computador, determinado por microprocessador . Um exemplo de um sinal de relógio aperiódico é a transmissão de dados com relógio , por exemplo, com as interfaces SPI ou I²C .
Demarcação
No jargão técnico, o termo “ relógio ” é frequentemente usado , pelo que deve ser inferido a partir do contexto se se trata de um sinal de relógio, frequência de relógio ou ciclo de relógio .
Em geral
Quando há um sinal de relógio periódico, ele é gerado por um oscilador , como um oscilador de cristal . Outras propriedades características de um sinal de relógio (além da frequência ou período) incluem a precisão ( tolerância de fabricação , dependência de temperatura , ruído de fase e jitter da fonte do sinal de relógio ) , a amplitude ( voltagem ) e o ciclo de serviço . A aplicação resulta em requisitos relacionados que afetam a seleção ou o princípio de design do oscilador (por exemplo, oscilador de anel para requisitos de precisão muito baixos , oscilador de cristal (por exemplo, circuito de perfuração ) para maior precisão ou relógio atômico para requisitos de maior precisão).
Idealmente, um sinal de clock é um sinal de onda quadrada . Na verdade, entretanto, a forma de onda de um sinal de clock é frequentemente mais sinusoidal. Freqüentemente, a freqüência do clock é quase tão alta quanto a freqüência máxima tecnológica do mecanismo de comutação. Nesse caso, uma forma de onda com uma baixa proporção de harmônicos , que também potencialmente causa menos interferência , é suficiente para satisfazer o requisito de inclinação da borda .
Geração de relógio
Para gerar um relógio de onda quadrada nos circuitos eletrônicos de hoje, osciladores de quartzo são usados além dos osciladores de quartzo junto com o circuito de controle. As vantagens desses componentes são a baixa tolerância da frequência gerada e a alta estabilidade da frequência na faixa de temperatura permitida, a resistência ao envelhecimento do componente e a faixa permitida para a tensão de operação dos componentes. Em computadores históricos que trabalharam com memórias de bateria, o sinal do relógio às vezes era lido de uma trilha magnética especial na memória de bateria .
Os processadores modernos e seus componentes auxiliares na placa - mãe de um computador requerem vários sinais de clock diferentes, já que a CPU , por exemplo, funciona com uma freqüência de clock muito maior do que as interfaces externas. Também dentro da CPU, as frequências são comutadas dinamicamente dependendo da situação operacional, principalmente para economizar energia. Um oscilador mestre é geralmente responsável por fornecer esses diversos sinais de relógio, que derivam todas as frequências necessárias de uma frequência de cristal por meio de seu próprio divisor de frequência ou loop de bloqueio de fase (PLL) .
CPUs e GPUs são oferecidas em versões para certas faixas de frequência de clock para as quais foram especificadas durante o desenvolvimento e testadas durante a fabricação. Como as reservas são planejadas nessas áreas devido à segurança operacional e às inevitáveis tolerâncias de produção, muitos usuários - especialmente da área de jogos de computador - se esforçam para ultrapassar os limites. Muitos processadores oferecem registradores de controle especiais para esse overclocking , que podem ser usados para definir um fator de divisão - o multiplicador - que especifica como a freqüência de operação deve ser dividida da freqüência de clock. No entanto, essas configurações são arriscadas, pois em casos extremos os dados podem ser perdidos ou o processador pode ser destruído. Portanto, existem empresas que oferecem tais computadores com overclock ou placas gráficas como parte de sua gama de serviços que eles testaram anteriormente para confiabilidade operacional suficiente.
Sinal de clock em circuitos integrados
Os circuitos que usam o sinal de clock para sincronização podem, dependendo do projeto, tornar-se ativos durante a transição de subida ou descida do sinal (com Double Data Rate (DDR) ambas as extremidades são usadas); fala-se de controle de borda ou disparo de borda . O sinal de clock é freqüentemente referido como CLK nas planilhas de dados e diagramas . Por meio de gate de clock , o sinal de clock pode ser desligado seletivamente em circuitos integrados para certas partes do circuito que não são necessárias atualmente, a fim de reduzir o consumo médio de energia.
A maioria dos circuitos integrados mais complexos requer um sinal de clock para sincronizar as diferentes partes dos chips e compensar os atrasos das portas. Como esses componentes estão se tornando cada vez mais complexos e também tendem a ser mais rápidos devido ao progresso técnico, a entrega de um sinal de clock preciso e uniforme para todos os circuitos está se tornando um desafio cada vez maior para o desenvolvedor de chips. O principal exemplo de tais chips complexos são os microprocessadores , os componentes centrais dos computadores modernos.
Velocidade de trabalho dos processadores
A freqüência de clock de um processador indica a freqüência com que as unidades de processamento são cronometradas.
É dado em Hertz (Hz). Como a frequência pode ser de vários bilhões de Hertz, os números são freqüentemente abreviados com a ajuda de prefixos como Giga (G) para bilhões ou Mega (M) para milhões (em sistemas embarcados , no entanto, kHz às vezes também são comuns). Por exemplo, uma frequência de clock do processador de 1 GHz significa um período de clock de um nanossegundo .
Com os processadores atuais, a frequência do clock corresponde à frequência com que os ciclos da máquina podem começar; com os processadores mais antigos, isso também pode ser significativamente menor do que a frequência do clock. Por exemplo .:
- Intel 8051 : frequência de clock de 24 MHz, um novo ciclo de máquina pode começar a cada 12 ciclos de clock → frequência de ciclo efetivo de 2 MHz / 500 ns
- Texas Instruments TMS320C40: frequência de clock de 50 MHz, um novo ciclo de máquina pode iniciar a cada 2 ciclos de clock → frequência de ciclo efetivo de 25 MHz / 40 ns
A velocidade efetiva de processamento também não pode ser conclusivamente concluída a partir disso, porque em alguns processadores até mesmo instruções simples ainda levam de 10 a 20 ciclos, em outros várias instruções complexas podem ser iniciadas em cada ciclo. O que é feito em 4 ciclos em uma CPU leva cem mil ciclos em outra.
Os processadores multi-core permitem frequências de clock separadas para cada núcleo, bem como para recursos usados globalmente (cache L3, PCI-Express , interface RAM, QPI ); estes podem continuar a mudar de acordo com os requisitos atuais.
A taxa de transferência de dados de um processador resulta de sua frequência de clock e da taxa de transferência de dados de sua conexão com a memória principal . O poder de computação (medido por exemplo em MIPS ou FLOPS ) não depende apenas da frequência, mas também da arquitetura geral do processador. Mesmo com processadores que têm o mesmo uso de conjunto de instruções , sérias diferenças de poder de computação podem indicar a causa de, por exemplo, na taxa IPC (IPC por si só na mesma taxa de clock Instruções inglesas por ciclo , instruções por ciclo de clock ), empresa- características específicas (por exemplo, extensões SIMD ) ou na largura de banda da memória já mencionada. A taxa IPC indica quantas instruções por ciclo de clock um processador pode processar simultaneamente por meio da paralelização . O processador com uma taxa de IPC mais alta, portanto, cria mais operações aritméticas por ciclo de clock e, portanto, calcula mais rápido.
literatura
- Vojin G. Oklobdzija, Vladimir M. Stojanovic, Dejan M. Markovic, Nikola M. Nedovic: Digital System Clocking . Aspectos de alto desempenho e baixo consumo de energia. Wiley-IEEE Press, 2003, ISBN 978-0-471-27447-6 .
Evidência individual
- ↑ Relógio. In: ITWissen.info - conhecimento de tecnologia online. DATACOM Buchverlag GmbH, acessado em 29 de setembro de 2017 .
- ^ Paul Horowitz , Winfield Hill: A Arte da Eletrônica . 2ª edição Cambridge University Press , Cambridge, Reino Unido 1989, ISBN 0-521-37095-7 , pp. 282 .