Тактовый генератор процессора как работает

Тактовый генератор AVR

В документации этот раздел называется “System Clock and Clock Options”, что можно перевести как “Системные часы и параметры системных часов”. Однако в русскоязычной литературе, как правило, вместо термина “системные часы” используется термин “тактовый генератор” (ну или что-то типа того). То есть речь пойдёт не о часах реального времени (часы/минуты/секунды), а именно об устройствах, которые задают, генерируют и используют тактовую частоту (тактовые сигналы).

Ну и далее, чтобы не раздражать бывалых электронщиков, я буду использовать “советские” термины “тактовый генератор”, “тактовая частота” и т.п., лишь изредка (чтобы писать поменьше букв) позволяя себе применять англоязычные слова типа “System Clock AVR”, или просто “часы процессора” (имея в виду именно тактовый генератор и тактовую частоту процессора).

Тактовый сигнал и его распределение

На рисунке ниже представлены основные системы часов (тактовых генераторов, тактовых сигналов) в AVR и их распределение. Все тактовые генераторы не должны быть задействованы одновременно. Для снижения энергопотребления тактовые генераторы в неиспользуемых модулях можно остановить с помощью различных спящих режимов, как описано в разделе “Управление питанием и спящие режимы” (страница 30 в документации). Системы часов подробно описаны ниже.

Тактовые сигналы и их распределение

1. AVR Clock Control Unit — модуль управления тактовыми сигналами (часами).
2. ADC — аналого-цифровой преобразователь.
3. General I/O Modules — общие модули ввода-вывода.
4. CPU Core — ядро процессора.
5. RAM — оперативная память.
6. Flash and EEPROM — Flash-память и память данных.
7. Reset Logic — логика управления сбросом.
8. Watchdog Timer — “сторожевой” таймер.
9. Clock Multiplexer — смеситель (микшер, мультиплексор, коммутатор — кому как понятнее) тактовых сигналов.
10. Watchdog Oscillator — генератор “сторожевого” таймера.
11. External Clock — внешний тактовый сигнал.
12. Calibrated RC Oscillator — генератор калибровки цепи сброса.

Некоторые из этих составляющих будут описаны далее, другие — в следующем разделе.

CPU Clock — clk_CPU — тактовые сигналы процессора

Тактовые сигналы процессора распределяются на на модули системы, связанные с работой ядра AVR. Примерами таких модулей являются регистры общего назначения, регистр статуса и память данных, указатель стека. Остановка тактового генератора процессора препятствует выполнению ядром общих операций и вычислений.

I/O Clock — clk_I/O — тактовые сигналы ввода-вывода

Синхронизация ввода-вывода используется большинством модулей ввода/вывода, таких как таймер/счетчик. Тактовые сигналы ввода-вывода также используются модулем внешних прерываний, но обратите внимание, что некоторые внешние прерывания отслеживаются асинхронной логикой, позволяя обнаруживать такие прерывания, даже если тактовый генератор ввода-вывода остановлен.

Flash Clock — clk_FLASH — тактовые сигналы FLASH-памяти

Тактовые сигналы флэш-памяти управляют флэш-интерфейсом. Как правило, тактовый генератор флэш-памяти работает синхронно (одновременно) с тактовой частотой процессора.

ADC Clock — clk_ADC — тактовые сигналы АЦП

Для АЦП имеется особая область тактового генератора. Она позволяет остановить тактовые генераторы процессора и ввода-вывода для уменьшения шума, производимого цифровыми сетями (в том числе этими тактовыми генераторами). Это дает более точные результаты аналого-цифрового преобразования.

Тактовый генератор: устройство, принцип работы, применение

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Вам будет интересно: Как поставить макрос на мышку Bloody A4Tech

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

Вам будет интересно: Как подключить «Икс Бокс 360» к интернету: пошаговая инструкция

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

• входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
• схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
• выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
• схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
• интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
• служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Как работает тактовый генератор сигналов Процессора?

Вот короче пример, нажимаю на кнопку, подаю сигнал, В схеме сигнал проходит на 2 регистра и записывает в них значения, потом суммирует их.
Вопрос, каким образом они одновременно обрабатываются, ТО ЕСТЬ, вот сигнал поступил на 1 регистер, в него записалось значение и передалось дальше на сумматор. Далее он должен суммировать, но(В МОЕМ ПОНИМАНИЕ) 2 регистр еще не обработался же, то есть на момент обработки 1 регистра, там же 0. Тогда там 1+0 =1 должно быть, но генератор сигналов по другому работает(как-то одновременно), я не нашел инфы по вопросу, или упустил что-то.

Задача написать программу симуляции работы Проццесора по Гарвардской Архитектуре.

И еще, а правильно ли я понимаю, что Шина Управления это в схемах провод по которой идут сигналы от тактового генератора до других источников?
И еще кто знает, как тактовый генератор подает сигнал, кая я понял по заданному интервалу времени? Но что будет если подать сигнал быстрее, чем успел обработаться предбудущий сигнал? Или там реализован Калбек?

• Вопрос задан более двух лет назад
• 922 просмотра

Комментировать
Решения вопроса 1
Не забывайте кликать кнопку «Отметить решением»!

1. У вас в заголовке — один вопрос (про тактовый генератор), а в тексте — совсем другой (про работу регистров и сумматора). Вообще-то можно по отдельности ответить на оба.
Тактовый генератор — это просто источник периодических импульсов стандартизованного вида, и он может быть каким угодно, лишь бы давал то, что требуется остальным элементам процессора. Иногда к нему предъявляются дополнительные требования — скажем, стабильная частота, или две сдвинутые по времени серии импульсов (двухфазность).
Сумматор — это комбинационная логика, которой ни с какого боку не нужны тактовые импульсы. Подали операнды на входы, и спустя время задержки получили на выходе сумму. А регистры — не так, их состояние зависит не только от текущих сигналов, но и от того, что было раньше (т.н. последовательностная логика). Причём зачастую триггеры, из которых состоят регистры, могут строиться таким образом, чтобы использовать не только фронты тактовых импульсов, но и их спады. В вашем случае достаточно подать на D-входы регистров исходные операнды, а затем одновременно на оба счётных входа — тактовый импульс. Спустя задержку на выходе сумматора образуется сумма. Какие сложности вас испугали в этом простом процессе, мне непонятно.
2. Шина управления содержит не только линию передачи тактов, но и другие линии, передающие другие сигналы — например, сигналы записи/чтения портов ввода-вывода и памяти, сигналы прерывания (их несколько разных видов), служебные сигналы процессора (скажем, перевод в пошаговый режим), ну и т.д.

Но что будет если подать сигнал быстрее, чем успел обработаться предбудущий сигнал?

3. Сбой будет, поскольку подав тактовый импульс раньше, чем устаканилось состояние цифровой схемы от предыдущего импульса, т.е. фактически уменьшая период тактовой последовательности, вы делаете попытку оперировать неизвестно чем. Если от процессора требуется надёжная работа без ошибок, то уменьшать период тактировки (или, другими словами, превышать тактовую частоту относительно её номинального значения) нельзя.
Хотя есть такие люди (оверклокеры), которым это правило пофик.

Ответ написан более двух лет назад
Нравится 4 1 комментарий
Даниил @daniil14056 Автор вопроса

Вот примерный код(написал прям в этой форме) , который у меня в голове примерно реализации логики.

Насколько такой код имеет право быть(написал только что).

void fun() < while (true) /// или по частоте. < Signal(0); /// подаю сигнал Signal(1); /// переключаю сигнал >> /// передаю главной шине, соединяющий непосредственно сам источник ///сигналов void Signal(byte val) < ///сообщаю всем подсоединённым устройствам к ней о сигнале. controllerBus.signal(val); >//////class ControllerBus класс подключенного провода к источнику сигнала /// (реализует ICPUDevice( базовый интерфейс любого элемента процессора) то //// есть у него есть источники входа и выхода из таких же элементов void signal(byte val) < /// . непонятно. вот тут может быть рекурсия,(может даже вечная). К примеру на один регистер пришел сигнал //// и передается значение дальше, а где-то там впереди, требуется вычислить значение регистра, до которого функция signal() и work() еще не дошла. /// CPuDevice устройство к примеру регистер, сумматор, Алу элемент. Queuequeue = getComponets(); // Получить все подключенные регистры, устройства, триггеры. /// обойти каждый элемент последовательно обработать foreach (var device in queue) < byte output = device.Work(); // выполнить . работу на устройстве // допустим элемент "НЕ". пришла 1, вернуть 0. device.signal(output); /// передать дальше сигнал, подключенным outputDevices устройствам >>

Ответы на вопрос 0
Ваш ответ на вопрос

Войдите, чтобы написать ответ

• Процессоры
• +4 ещё

Почему ядра процессора греются с разницей в ~20С при работе совместно с ГПУ?

• 1 подписчик
• вчера
• 53 просмотра

Что такое тактовый генератор на материнской плате — какие у него функции и как выглядит?

Привет! Продолжаем говорить об интересных компонентах системной платы, о которых мало кто знает, но какие очень важны. И сегодня рассмотрим, что такое тактовый генератор на материнской плате, как работает, зачем необходим и как так получилось, что без него ПК в принципе не сможет существовать.

Генератор тактовой частоты — что это такое, определение термина

Генератор частоты — это небольшая микросхема, которая находится на материнской плате. Она создаёт электрические импульсы, которые учитываются процессором, а через него и всеми компонентами как самой платы, так и подключёнными к ней.

Импульсы необходимы, чтобы синхронизировать друг с другом все процессы, которые выполняет материнская плата. Благодаря импульсам, управляющим передачей и приёмом информации, все задачи выполняются быстро и правильно, а вы видите результат этой работы в виде быстрой скорости обработки ваших запросов.

Звучит, возможно, не очень понятно, но я расскажу подробнее далее.

Его функции и для чего нужен

Тактовый генератор создаёт электрические импульсы установленной частоты. Поменять частоту можно только путём замены устройства.

Любой процесс, происходящий в ПК, а точнее выполнение любой задачи, связано с командами. Команды выполняются процессором, а инициируются — пользователем. Каждая команда выполняется за определённое количество тактов, может даже за один, если она простая. И если вам кажется это знакомым, то да, я говорил об этом в материале об архитектурах процессоров. Вы можете его прочесть в качестве небольшого дополнения к этой теме.

Главная функция всех таких устройств — создавать те самые такты, которые требуются процессору для выполнения задачи. Такты помогают процессору не только выполнять команды, но и синхронизировать работу всех остальных компонентов ПК при её выполнении.

Обычно устройство имеет внутри кристалл (кварцевый в корпусе из олова) и сам генератор. Когда на кристалл попадает напряжение, тот начинает колебаться, а уже эти колебания преобразуются в импульсы — такты. Звучит просто, но только из-за того, что я стараюсь не углубляться в технические подробности, чтобы не запутать читателя в и так непростой системе.

Логично предположить, что чем выше частота генерации тактов, тем компьютер более производителен, ведь тогда он выполняет больше задач за промежуток времени. И это предположение будет верно, поэтому нередко оверклокеры, то есть те, кто любит разгонять процессоры, могут менять на системной плате генераторы на более мощные, и тем самым заставлять процессор работать бодрее. Кстати, это влияет на энергопотребление.

В качестве дополнения стоит сказать, что генераторные устройства установлены не только на материнках ПК, но и на многой другой электронике.

Как выглядит генератор тактовых частот на материнской плате

Обсуждаемое нами устройство не так просто найти на материнской плате, так как оно маленькое и чёрное, то есть никак не выделяется.

От него отходит много контактов в разные стороны, а наверху написан серийный номер с указанием бренда или без него.

Проще всего использовать схему системной платы или поискать информацию в интернете о конкретно вашей модели.

Виды тактовых генераторов

У тактовых генераторов есть разновидности. Так, вы можете встретить:

• Общего назначения.
• Программируемые.

Если говорить кратко, программируемые создают разные частоты, и им не нужно изменение аппаратной части под каждый конкретный случай, а устройства общего назначения так не могут, здесь применяется фазовая автоподстройка частоты.

Типы генераторов

Генераторы системных плат, помимо того, что имеют разные подвиды, ещё и делятся на типы. Причём по разным признакам. Например, если рассматривать стабильность устройства, здесь можно выделить два типа:

• Долговременная стабильность.
• Кратковременная стабильность.

Долговременная предполагает, что изменение частоты происходит за длительный промежуток времени, а кратковременная — за короткий. Тип стабильности влияет на то, где именно может быть применено устройство.

Длительная стабильность учитывает промежутки времени, исчисляемые годами, так что эти устройства не используются в обычной электронике. А вот кратковременную стабильность можно встретить буквально везде.

Правда, есть устройства, например, относящиеся к телекоммуникациям, где важны оба типа стабильности. Тогда используются особые генераторы с рубидием, помещённым в специальную нагретую камеру.

Но дальше я расскажу о типах генераторных устройств по их конструкции.

Классический

Самые простые не имеют кристалла в своём составе, зато у них есть RC-цепочка, связывающая инверторы. Номиналы резистора и конденсатора будут влиять на частоту колебаний.

Учитывая простоту, здесь могут быть добавлены дополнительные схемы для управления амплитудой сигнала, его формой и т. д.

И пусть конструкция устроена несложно, а значит стоит дешевле, из-за этого она теряет стабильность.

Кварцевый

Кварцевый — это тот, который был очень популярен у материнских плат до появления следующего подтипа. Выше я уже рассказывал, как он работает.

Есть генератор, преобразующий колебания, и кварцевый кристалл (выращивается искусственно), имеющий с внешней стороны оловянный корпус. На кристалл попадает напряжение, тот начинает механически колебаться, а эти колебания обрабатываются в такты. Те передаются процессору.

Кварц + микросхема генерации

Если говорить о настоящем моменте, то материнским платам постоянно требуется обрабатывать много процессов с разными частотами, и в этом им помогает программируемая микросхема генерации. Как и говорит название, это устройство состоит из кварцевой сердцевины и микросхемы генерации. При подаче сигнала кварцевого резонатора, микросхема на своих выводах будет выдавать частоту, которая поделена или умножена на изначальную.

Чтобы поделить частоты и увеличить тем самым их количество для более точных расчётов используются триггеры. Смесители, делители и умножители частот усложняют схему, но делают её более надёжной и стабильной. А если учитывать скорость обработки команд благодаря такому подходу, популярность их неудивительна.

Всё же, понять, что это такое — генератор тактовой частоты и для чего он нужен, бывает непросто. Но вы точно запомните, что системной плате и многой другой электронике он очень нужен. А если вы захотите заняться разгонами процессора, в эту тему можно будет погрузиться подробнее. Больше о материнских платах вы можете узнать из уже имеющихся в моём блоге материалов, а также будущих, о выходе которых легко узнать из моих социальных сетей, на них я рекомендую подписаться. Увидимся!

С уважением, автор блога Андрей Андреев.