ما هو بوابة الساعة؟

سرعة الساعة مهمة للغاية لأداء وحدة المعالجة المركزية. على الأقل ، هذا ما يود قسم التسويق في الشركات التي تصمم وتبيع وحدات المعالجة المركزية أن تفكر فيه. بالطبع ، هناك العديد من العوامل الأخرى ويعتمد ترجيحها جميعًا على حالة الاستخدام الخاصة بك. عادةً ما تستفيد لعبة الفيديو ذات الخيوط الخفيفة من نواة واحدة سريعة الإضاءة ، مدعومة بعدد قليل من النوى البطيئة. عادةً ما يستفيد كمبيوتر العرض من أكبر عدد ممكن من النوى ، وبينما يكون الأسرع أفضل ، فإن المزيد من النوى يكون أفضل. يعد الأداء مهمًا في بيئات الأجهزة المحمولة ، ولكن كفاءة الطاقة لها أهمية قصوى ، خاصةً عندما لا يكون أداء الذروة مطلوبًا.

تؤثر العديد من العوامل على الأداء في كل هذه السيناريوهات ولكن العامل الثابت الوحيد هو الساعة. تحدد إشارة الساعة في وحدة المعالجة المركزية وقت حدوث الأشياء. يعني معدل دقة الساعة الأسرع إجراء المزيد من العمليات في وقت معين. هذا يبدو رائعًا ، بالتأكيد تريده أن يعمل بأسرع وقت ممكن ، أليس كذلك؟ ليس بهذه السرعة. أولاً ، تسبب كل دقات الساعة نبضة طاقة. يجب أن تأتي هذه القوة من مكان ما. كما ينتج عنه إنتاج الحرارة ، والتي يجب تبديدها بعد ذلك. ثانيًا ، من الصعب حقًا ضمان بقاء كل شيء متزامنًا بشكل صحيح ، ويزداد الأمر صعوبة كلما دقات الساعة بشكل أسرع.

إدارة الطاقة والحرارة

هناك نوعان من الاستخدامات الرئيسية للطاقة الكهربائية. الأول هو التيار المستمر لنظام قيد التشغيل. والثاني هو الزيادة من نظام قيد التشغيل. يرجع المصدر الرئيسي لاستخدام الطاقة في وحدة المعالجة المركزية في الواقع إلى التبديل المستمر للدوائر بين التشغيل والإيقاف. تشير إشارة الساعة إلى هذا التبديل. كما أنه يساهم بمفرده في قدر غير ضئيل من استخدام الطاقة هذا.

الشيء هو أن بعض أجزاء الأجهزة الموجودة على وحدة المعالجة المركزية ليست مطلوبة في كل دورة وحدة المعالجة المركزية. في معظم دورات الساعة ، لن تكون هناك حاجة لتسجيل فردي على سبيل المثال. على هذا النحو ، فإن إرسال إشارة الساعة والتسبب في تشغيلها وإيقافها بسرعة يؤدي ببساطة إلى إهدار الطاقة ، دون أي مكسب. بوابة الساعة هي تقنية منع إشارة الساعة من الوصول إلى مناطق وحدة المعالجة المركزية غير المطلوبة لدورة الساعة المحددة هذه.

يجب وضع الأجهزة الخاصة ببوابة الساعة في مسار إشارة الساعة لكل جزء من الوظائف التي قد ترغب في إيقاف تشغيلها من الساعة. عندما تكون هناك حاجة دائمًا إلى أجزاء متعددة من الوظائف معًا وحصريًا ، يمكن وضعها خلف نفس بوابة الساعة. من خلال تعطيل إشارة الساعة خلف البوابة ، يمكن إزالة المصدر الرئيسي لاستخدام الطاقة. يمكن أن يساعد ذلك في تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير ، وهو أمر مهم بشكل خاص للأجهزة التي تعمل بالبطاريات.

ملاحظة: بوابة الساعة نفسها تستخدم الطاقة ، لذلك من المهم التأكد من أنها تستخدم فقط حيث ستوفر طاقة أكثر مما تستخدم.

الحد الأقصى للسرعة المطلقة

ذكرنا من قبل أنه من الصعب مزامنة الساعات السريعة. لسوء الحظ ، هذه قاعدة صارمة وسريعة تفرضها الفيزياء الأساسية. إن أسرع سرعة يمكن لأي شيء أن ينتقل بها هي سرعة الضوء في الفراغ. هذا ما يقرب من ثلاثمائة مليون متر في الثانية (أو 670600000 ميل في الساعة) وهذا سريع حقًا. شيء آخر سريع حقًا هو سرعة الساعة في وحدات المعالجة المركزية الحديثة. تُترجم 5.7 جيجا هرتز أو 5.7 مليار نقطة في الثانية إلى علامة ساعة واحدة كل 175 بيكو ثانية ، أو 0.175 نانوثانية. عند تجميعها معًا ، يمكنك معرفة المسافة التي يمكن أن يقطعها الضوء في الإطار الزمني لعلامة ساعة واحدة. 55 ملم أو 2.1 بوصة.

الآن لا تعمل أجهزة الكمبيوتر على الفوتونات ، على الأقل لا تعمل على الرغم من أن الضوئيات مجال متقدم. تعمل أجهزة الكمبيوتر على إلكترونات تتحرك بشكل أبطأ. لا يوجد أيضًا خط مستقيم واحد تنتقل فيه الإلكترونات ، وهناك العديد من المكونات الإلكترونية التي تعترض الطريق. كل من هذه يؤخر انتشار الإشارة. تحقيقا لهذه الغاية ، يجب إدخال إشارة الساعة إلى وحدة المعالجة المركزية في العديد من النقاط المختلفة لتتم مزامنتها بشكل صحيح عبر كل شيء.

كما ذكرنا ، فإن الإلكترونيات المتداخلة تبطئ انتشار إشارة الساعة. هذا صحيح حتى بالنسبة لبوابات الساعة. على هذا النحو ، أثناء تصميم وحدة المعالجة المركزية ، من المهم أخذ ذلك في الاعتبار. من المهم أيضًا أن تفهم بالضبط التأثير الذي يمكن أن يحدثه هذا على الشكل العام لإشارة الساعة. يمكن دمج الحافة الأمامية المتأخرة قليلاً مع حافة السقوط المحاذاة بشكل صحيح مما يؤدي إلى فترة زمنية أقصر وربما وظائف غير كاملة.

خاتمة

بوابة الساعة هي مكون دارة يستخدم في تصميم المعالج. يمنع أو يمكّن إشارة الساعة المتزامنة من الوصول إلى واحد أو أكثر من المكونات الإضافية. يعمل هذا بشكل أساسي كمفتاح. الغرض الرئيسي هو توفير الطاقة من خلال عدم إنفاق الطاقة في تبديل الدوائر وإيقاف تشغيلها التي لا يفترض أن تفعل أي شيء. كما أنه يمنع تحويل هذه الطاقة إلى حرارة. هذا يترك المزيد من الميزانية الحرارية والطاقة للمكونات الأخرى للمعالج التي يتم استخدامها. بدلاً من ذلك ، فإنه يقلل من الحمل الكلي للنظام على نظام الطاقة والتبريد. يحتاج تصميم النظام إلى مراعاة التأخير الذي تحدثه أي مكونات ، حتى المفتاح الذي يضعه على إشارة الساعة الموقوتة بإحكام. يجب أيضًا توخي الحذر للتأكد من أن فتح البوابة لا يرسل إشارة ساعة مختصرة إذا كانت إشارة الساعة عالية بالفعل عند فتح البوابة.