Hodinový signál - Clock signal

V elektronice a to zejména synchronních digitálních obvodů , je hodinový signál (historicky známý také jako logický rytmu ) osciluje mezi vysokým a nízkým stavem a je používán jako metronom , aby koordinovala činnost digitálních obvodů .

Hodinový signál je generován generátorem hodin . I když se používá složitější uspořádání, nejběžnější hodinový signál je ve formě obdélníkové vlny s 50% pracovním cyklem , obvykle s pevnou konstantní frekvencí. Obvody využívající hodinový signál pro synchronizaci se mohou aktivovat buď na náběžné hraně, na sestupné hraně, nebo v případě dvojité datové rychlosti jak na náběžné, tak na sestupné hraně hodinového cyklu.

Digitální obvody

Většina integrovaných obvodů (IC) s dostatečnou složitostí používá hodinový signál k synchronizaci různých částí obvodu a cykluje pomaleji než nejhorší interní zpoždění šíření . V některých případech je k provedení předvídatelné akce zapotřebí více než jeden hodinový cyklus. Jak se integrované obvody stávají složitějšími, je problém dodávat přesné a synchronizované hodiny do všech obvodů stále obtížnější. Preeminentním příkladem takových složitých čipů je mikroprocesor , ústřední součást moderních počítačů, který se spoléhá na hodiny z krystalového oscilátoru . Jedinou výjimkou jsou asynchronní obvody, jako jsou asynchronní CPU .

Hodinový signál může být také bránový, to znamená v kombinaci s řídícím signálem, který povoluje nebo zakazuje hodinový signál pro určitou část obvodu. Tato technika se často používá k úspoře energie efektivním vypínáním částí digitálního obvodu, když se nepoužívají, ale za cenu zvýšené složitosti analýzy časování.

Jednofázové hodiny

Většina moderních synchronních obvodů používá pouze „jednofázové hodiny“ - jinými slovy, všechny hodinové signály jsou (účinně) přenášeny na 1 vodiči.

Dvoufázové hodiny

V synchronních obvodech se „dvoufázové hodiny“ vztahují k hodinovým signálům distribuovaným na 2 vodičích, z nichž každý má nepřekrývající se pulsy. Jeden vodič se tradičně nazývá „fáze 1“ nebo „φ1“, druhý vodič nese signál „fáze 2“ nebo „φ2“. Vzhledem k tomu, že tyto dvě fáze jsou zaručeny nepřekrývající se, lze k ukládání informací o stavu použít spíše hradlové západky než klopné obvody spouštěné hranou, pokud vstupy do západek v jedné fázi závisí pouze na výstupech ze západek v druhé fázi. Vzhledem k tomu, že hradlová západka používá pouze čtyři brány versus šest bran pro klopný obvod spouštěný hranou, mohou dvoufázové hodiny vést k designu s menším celkovým počtem hradel, ale obvykle za určitou pokutu v obtížnosti a výkonu návrhu.

Integrované obvody MOS obvykle používaly duální hodinové signály (dvoufázové hodiny) v 70. letech. Ty byly generovány externě pro mikroprocesory 6800 a 8080. Další generace mikroprocesorů zahrnovala generování hodin na čipu. Model 8080 používá hodiny 2 MHz, ale propustnost zpracování je podobná jako u 1 MHz 6800. Model 8080 vyžaduje k provedení instrukce procesoru více taktů. Model 6800 má minimální taktovací frekvenci 100 kHz a model 8080 má minimální taktovací frekvenci 500 kHz. Rychlejší verze obou mikroprocesorů byly vydány do roku 1976.

6501 vyžaduje externí 2-fázový generátor hodin. MOS Technology 6502 používá stejnou logiku 2-fázové vnitřně, ale také zahrnuje dvoufázový generátor hodin na čipu, takže to potřebuje pouze jeden vstup fáze hodiny, což zjednodušuje návrh systému.

4fázové hodiny

Některé časné integrované obvody používají čtyřfázovou logiku , která vyžaduje čtyřfázový hodinový vstup skládající se ze čtyř samostatných nepřekrývajících se hodinových signálů. To bylo obzvláště běžné u raných mikroprocesorů, jako jsou National Semiconductor IMP-16 , Texas Instruments TMS9900 a čipset Western Digital WD16 používaný v DEC LSI-11.

Čtyřfázové hodiny se v novějších procesorech CMOS, jako je mikroprocesor DEC WRL MultiTitan, používají jen zřídka. a v technologii Fast14 společnosti Intrinsity . Většina moderních mikroprocesorů a mikrokontrolérů používá jednofázové hodiny.

Multiplikátor hodin

Mnoho moderních mikropočítačů používá „ multiplikátor hodin “, který násobí externí frekvence s nižší frekvencí na příslušnou rychlost hodin mikroprocesoru. To umožňuje CPU pracovat na mnohem vyšší frekvenci než zbytek počítače, což umožňuje zvýšení výkonu v situacích, kdy CPU nemusí čekat na externí faktor (jako je paměť nebo vstup / výstup ).

Dynamická změna frekvence

Drtivá většina digitálních zařízení nevyžaduje hodiny na pevné, konstantní frekvenci. Pokud jsou dodrženy minimální a maximální hodinové periody, čas mezi hodinovými hranami se může velmi lišit od jedné hrany k druhé a zase zpět. Taková digitální zařízení fungují stejně dobře s generátorem hodin, který dynamicky mění svou frekvenci, jako je generování hodin s rozprostřeným spektrem , dynamické škálování frekvencí atd. Zařízení, která používají statickou logiku, nemají ani maximální dobu hodin (nebo jinými slovy, minimální taktovací frekvence); taková zařízení lze zpomalit a pozastavit na neurčito, poté je lze kdykoli obnovit při plné rychlosti hodin.

Ostatní obvody

Některé citlivé obvody smíšeného signálu , jako jsou přesné analogově-digitální převodníky , používají jako své hodinové signály spíše sinusové vlny než čtvercové, protože čtvercové vlny obsahují vysokofrekvenční harmonické, které mohou interferovat s analogovými obvody a způsobovat šum . Takové sinusové hodiny jsou často diferenciálními signály , protože tento typ signálu má dvojnásobnou rychlost přeběhu , a tedy poloviční nejistotu časování, signálu s jedním koncem se stejným napěťovým rozsahem. Diferenciální signály vyzařují méně silně než jedna linka. Alternativně lze použít jedno vedení stíněné silovým a zemním vedením.

V obvodech CMOS se hradlové kapacity nabíjejí a vybíjejí nepřetržitě. Kondenzátor nerozptyluje energii, ale ztrácí se energie v hnacích tranzistorech. V reverzibilní na počítači , tlumivky může být použit k ukládání této energie a snížení ztrát energie, ale mají tendenci být poměrně velké. Alternativně lze pomocí hodin sinusových vln, přenosových bran CMOS a technik úspory energie snížit energetické nároky.

Rozdělení

Nejúčinnějším způsobem, jak dostat hodinový signál do každé části čipu, který jej potřebuje, s nejmenším zkosením, je kovová mřížka. Ve velkém mikroprocesoru může být výkon použitý k řízení hodinového signálu vyšší než 30% celkového výkonu použitého celým čipem. Celá konstrukce s branami na koncích a všemi zesilovači mezi nimi musí být načtena a vyložena každý cyklus. Kvůli úspoře energie hodinové hradlování dočasně vypne část stromu.

Síť distribuce hodin (nebo strom hodin , když tato síť tvoří strom) distribuuje hodinový signál (signály) ze společného bodu do všech prvků, které to potřebují. Jelikož je tato funkce životně důležitá pro provoz synchronního systému, byla věnována velká pozornost charakteristikám těchto hodinových signálů a elektrickým sítím použitým při jejich distribuci. Hodinové signály jsou často považovány za jednoduché řídicí signály; tyto signály však mají některé velmi zvláštní vlastnosti a atributy.

Hodinové signály jsou obvykle načítány s největším fanoutem a pracují při nejvyšších rychlostech jakéhokoli signálu v synchronním systému. Vzhledem k tomu, že datové signály jsou poskytovány s časovou referencí hodinovými signály, musí být časové vlny obzvláště čisté a ostré. Kromě toho jsou tyto hodinové signály zvláště ovlivněny škálováním technologií (viz Moorův zákon ), protože dlouhé globální propojovací linky se stávají výrazně odolnějšími, protože se zmenšují rozměry linek. Tento zvýšený odpor vedení je jedním z hlavních důvodů rostoucího významu rozdělení hodin na synchronní výkon. A konečně, kontrola jakýchkoli rozdílů a nejistoty v časech příchodu hodinových signálů může vážně omezit maximální výkon celého systému a vytvořit katastrofické závodní podmínky, ve kterých se může nesprávný datový signál zachytit v registru.

Většina synchronních digitálních systémů se skládá z kaskádových bank sekvenčních registrů s kombinační logikou mezi každou sadou registrů. Tyto funkční požadavky digitálního systému splněn logických etap. Každá logická fáze zavádí zpoždění, které ovlivňuje výkon časování, a výkon časování digitálního designu lze vyhodnotit vzhledem k požadavkům na časování analýzou časování. Často je třeba věnovat zvláštní pozornost splnění požadavků na načasování. Například požadavky na globální výkon a místní načasování mohou být splněny pečlivým vložením registrů potrubí do rovnoměrně rozmístěných časových oken, aby byla splněna kritická omezení časování v nejhorším případě . Správný design distribuční sítě hodin pomáhá zajistit, aby byly splněny kritické požadavky na časování a aby neexistovaly žádné podmínky závodu (viz také zkreslení hodin ).

Komponenty zpoždění, které tvoří obecný synchronní systém, se skládají z následujících tří jednotlivých subsystémů: paměťové paměťové prvky, logické prvky a taktovací obvody a distribuční síť.

V současné době se vyvíjejí nové struktury, které mají tyto problémy zlepšit a poskytnout efektivní řešení. Mezi důležité oblasti výzkumu patří techniky rezonančního taktování, optické propojení na čipu a metodiky místní synchronizace.

Viz také

Reference

Další čtení

Eby G. Friedman (ed.), Clock Distribution Networks in VLSI Circuits and Systems , ISBN 0-7803-1058-6 , IEEE Press. 1995.
Eby G. Friedman , „Hodinové distribuční sítě v synchronních digitálních integrovaných obvodech“ , Proceedings of the IEEE , Vol. 89, č. 5, str. 665–692, květen 2001.
„ISPD 2010 High Performance Clock Network Synthesis Contest“ , Mezinárodní sympozium o fyzickém designu, Intel, IBM, 2010.
D.-J. Lee, „Vysoce výkonná a nízkoenergetická hodinová síťová syntéza v přítomnosti variací“ , Ph.D. disertační práce, University of Michigan, 2011.
IL Markov, D.-J. Lee, „Algoritmické ladění hodinových stromů a odvozených nestromových struktur“ , v Proc. Int'l. Konf. Comp. Aided Design (ICCAD), 2011.
VG Oklobdzija, VM Stojanovic, DM Markovic a NM Nedovic, Digital System Clocking: High-Performance and Low-Power Aspects , ISBN 0-471-27447-X , IEEE Press / Wiley-Interscience, 2003.
Mitch Dale, „The Power of RTL Clock-gating“ , Design elektronických systémů zahrnující design čipů , 20. ledna 2007.

Převzato ze sloupce Eby Friedman v e-zpravodaji ACM SIGDA od Igora Markova Původní text je k dispozici na https://web.archive.org/web/20100711135550/http://www.sigda.org/newsletter/2005/ eNews_051201.html

Languages

In other projects