Sinyal clock

Dalam elektronik dan terutama sinkron sirkuit digital , sinyal clock adalah jenis tertentu dari sinyal yang berosilasi antara negara tinggi dan rendah dan digunakan seperti metronom untuk mengkoordinasikan tindakan sirkuit . Meskipun kata sinyal memiliki sejumlah arti lain, istilah di sini digunakan untuk "menular energi yang dapat membawa informasi".

Sebuah sinyal clock dihasilkan oleh generator clock . Meskipun pengaturan yang lebih kompleks yang digunakan, sinyal clock yang paling umum adalah dalam bentuk gelombang persegi dengan 50% duty cycle , biasanya dengan tetap, frekuensi yang konstan. Sirkuit menggunakan sinyal clock untuk sinkronisasi mungkin menjadi aktif di kedua tepi terbit, tepi jatuh, atau, dalam kasus double data rate , baik di terbit dan di tepi jatuh dari siklus jam.

Sirkuit digital

Sebagian besar sirkuit terpadu (IC) dari kompleksitas yang cukup menggunakan sinyal clock untuk menyinkronkan berbagai bagian sirkuit, bersepeda pada tingkat yang kurang dari yang terburuk-kasus internal yang penundaan propagasi . Dalam beberapa kasus, lebih dari satu siklus clock yang diperlukan untuk melakukan tindakan diprediksi. Sebagai IC menjadi lebih kompleks, masalah penyediaan jam akurat dan disinkronisasi untuk semua sirkuit menjadi semakin sulit. Contoh unggul chip kompleks tersebut adalah mikroprosesor , komponen utama dari komputer modern, yang bergantung pada jam dari osilator kristal . Satu-satunya pengecualian adalah sirkuit asynchronous seperti CPU asynchronous .

Sebuah sinyal clock mungkin juga akan terjaga keamanannya, yaitu, dikombinasikan dengan sinyal pengendali yang mengaktifkan atau menonaktifkan sinyal clock untuk bagian tertentu dari sebuah sirkuit. Teknik ini sering digunakan untuk menghemat daya dengan efektif menutup bagian-bagian dari rangkaian digital ketika mereka tidak digunakan, tapi datang dengan biaya meningkat kompleksitas dalam waktu analisis.

Sirkuit lain

Beberapa sensitif sirkuit sinyal campuran , seperti presisi analog-ke-digital converter , menggunakan gelombang sinus daripada gelombang persegi sebagai sinyal clock mereka, karena gelombang persegi mengandung frekuensi tinggi harmonisa yang dapat mengganggu sirkuit analog dan menyebabkan kebisingan . Jam gelombang sinus tersebut sering diferensial sinyal , karena jenis sinyal telah dua kali laju perubahan tegangan , dan karena itu setengah ketidakpastian waktu, dari sinyal tunggal berakhir dengan kisaran tegangan yang sama. Diferensial sinyal memancarkan kurang kuat daripada satu baris. Atau, satu baris terlindung oleh kekuasaan dan tanah jalur dapat digunakan.

Di sirkuit CMOS, gerbang kapasitansi dibebankan dan bermuatan terus-menerus. Sebuah kapasitor tidak menghilangkan energi, tetapi energi yang terbuang di transistor mengemudi. Dalam komputasi reversibel , induktor dapat digunakan untuk menyimpan energi ini dan mengurangi kehilangan energi, tapi mereka cenderung cukup besar. Atau, menggunakan waktu gelombang sinus, CMOS gerbang transmisi dan teknik hemat energi, kebutuhan daya dapat dikurangi.

Distribusi

Cara yang paling efektif untuk mendapatkan sinyal clock untuk setiap bagian dari sebuah chip yang membutuhkannya, dengan miring terendah, adalah grid logam. Dalam sebuah mikroprosesor yang besar, daya yang digunakan untuk menggerakkan sinyal clock bisa lebih dari 30% dari total daya yang digunakan oleh seluruh chip. Seluruh struktur dengan gerbang di ujung dan semua amplifier di antara harus dimuat dan dibongkar setiap siklus. Untuk menghemat energi, jam gating sementara menutup bagian dari pohon.

Jaringan distribusi jam (atau jam pohon, ketika jaringan ini membentuk pohon) mendistribusikan sinyal clock dari titik umum untuk semua elemen yang membutuhkannya. Karena fungsi ini sangat penting untuk pengoperasian sistem sinkron, banyak perhatian telah diberikan kepada karakteristik sinyal clock ini dan jaringan listrik yang digunakan dalam distribusi mereka. Sinyal clock sering dianggap sebagai sinyal kontrol sederhana, namun sinyal-sinyal ini memiliki beberapa karakteristik yang sangat khusus dan atribut.

Sinyal clock biasanya sarat dengan terbesar fanout dan beroperasi pada kecepatan tertinggi sinyal apapun dalam sistem sinkron. Karena sinyal data disediakan dengan referensi sementara oleh sinyal clock, jam bentuk gelombang harus sangat bersih dan tajam. Selain itu, sinyal clock ini sangat dipengaruhi oleh teknologi scaling (lihat hukum Moore ), dalam garis interkoneksi global yang panjang menjadi jauh lebih resistif sebagai dimensi garis yang menurun. Ini resistensi garis meningkat adalah salah satu alasan utama untuk pentingnya meningkatkan distribusi jam pada kinerja sinkron. Akhirnya, kontrol dari setiap perbedaan dan ketidakpastian di masa kedatangan sinyal clock sangat dapat membatasi kinerja maksimum dari seluruh sistem dan menciptakan bencana kondisi balapan di mana sinyal data yang salah dapat latch dalam register.

Kebanyakan sinkron digital sistem terdiri dari bank mengalir dari berurutan register dengan logika kombinasional antara setiap set register. The persyaratan fungsional dari sistem digital dipenuhi oleh tahap logika. Setiap tahap logika memperkenalkan penundaan yang mempengaruhi kinerja waktu, dan kinerja waktu desain digital dapat dievaluasi relatif terhadap persyaratan waktu dengan analisis waktu. Seringkali pertimbangan khusus harus dibuat untuk memenuhi persyaratan waktu. Sebagai contoh, kinerja global dan persyaratan waktu lokal dapat dipenuhi oleh penyisipan cermat register pipa ke dalam jendela waktu sama spasi untuk memuaskan terburuk kritis kendala waktu . Desain yang tepat dari jam jaringan distribusi membantu memastikan bahwa persyaratan waktu kritis puas dan bahwa tidak ada kondisi ras ada (lihat juga jam condong ).

Komponen delay yang membentuk sistem sinkron umum terdiri dari tiga subsistem individu berikut: unsur-unsur penyimpanan memori, unsur-unsur logika, dan clocking sirkuit dan jaringan distribusi.

Struktur baru yang saat ini sedang dikembangkan untuk memperbaiki masalah ini dan memberikan solusi yang efektif. Daerah penting dari penelitian meliputi teknik resonansi clocking, on-chip interkoneksi optik, dan metodologi sinkronisasi lokal.