ما هو نبض الساعة؟

في الكمبيوتر ، تتم مزامنة معظم المكونات مع ساعة. ومع ذلك ، لا تتم مزامنة كل شيء بالضرورة مع نفس الساعة. يمكن لوحدة المعالجة المركزية ، على سبيل المثال ، العمل بسرعة مذهلة ، مع اقتراب الموديلات المتطورة من الوصول إلى 6 مليارات دورة في الثانية. معظم المكونات الأخرى غير قادرة على مطابقة هذه السرعة المذهلة. تشير الساعة بالضبط إلى الوقت الذي من المفترض أن يعمل فيه أحد المكونات. تعتمد الوظيفة الدقيقة ، بالطبع ، على المكون. لكن المفهوم الأساسي هو نفسه ، متزامن بشكل دائم مع علامة الساعة.

في الكمبيوتر ، يتم الإشارة إلى جميع الساعات تقريبًا بموجة مربعة. نبضة الساعة هي "ذروة" الموجة المربعة. ومن المثير للاهتمام ، أنه لا يوجد شيء يستخدم هذه الذروة كمحفز لأي شيء. حتى الساعة التي تدق 6 مليارات مرة في الثانية تقضي وقتًا كافيًا في الذروة والقاع بحيث يكون للتوقيت الدقيق تباينًا كافيًا لإحداث مشكلات. بدلاً من ذلك ، تعمل معظم الأجهزة بشكل خاص على الحافة الصاعدة لنبض الساعة أثناء تنشيطها.

ذاكرة الوصول العشوائي استثناء مثير للاهتمام. قد تعلم أن أجيال ذاكرة الوصول العشوائي يشار إليها حاليًا باسم "DDR X". مصطلح DDR هذا مهم. إنها تعني "معدل البيانات المضاعفة". بينما تعمل الأجهزة القياسية فقط على الحافة الصاعدة لنبض الساعة ، تعمل ذاكرة DDR RAM على كل من الحافة الصاعدة والهابطة لنبض الساعة. هذا يضاعف عرض النطاق الترددي على نفس التقنية باستخدام معدل بيانات واحد. نظرًا لأن النطاق الترددي يعد جزءًا مهمًا من أداء ذاكرة الوصول العشوائي ، فإن تقنية DDR هذه أصبحت عالمية الآن في ذاكرة الوصول العشوائي.

كيف يعمل نبض الساعة؟

يولد مولد الساعة نبض الساعة. عادة ما يكون هذا بلورة كوارتز متشكلة بعناية مع مرور تيار كهربائي فوقها. إحدى خصائصه الجوهرية هي أنه يولد نبضًا منتظمًا تمامًا من الكهرباء. بينما يمكن ضبط البلورات على نطاق من الترددات ، عادةً ما يتم استخدام اثنين فقط ، وبعد ذلك يكون واحدًا فقط هو السائد. تدق معظم الساعات عند 100 ميجاهرتز أو 100 مليون دورة في الثانية. تتميز بعض أجهزة الكمبيوتر بساعة ثانية تعمل بتردد 125 ميجاهرتز.

قد تلاحظ أن هذا أقل بشكل ملحوظ من 6 جيجاهرتز التي يمكن الحصول عليها ، في الظروف المثلى ، بواسطة وحدات المعالجة المركزية الحديثة. بدلاً من إنشاء ساعة واحدة للتحكم في سرعة وحدة المعالجة المركزية ثم قفلها على هذا التردد الدقيق ، يتم ضبط تردد وحدة المعالجة المركزية والأجهزة الأخرى عبر مُضاعِف. يضاعف المضاعف عدد النبضات الموجودة في الثانية. واحدة من المزايا الرئيسية لهذا هو أنه يمكن تعديل المضاعف. يمكن أن يحدث هذا التعديل أثناء التنقل ، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الأداء بناءً على الإرتفاع الحراري ، والإرتفاع في الطاقة ، والحمل.

قيود التصميم من العمل مع نبضات الساعة

تعمل المزامنة مع الساعات على زيادة أداء ذاكرة الوصول العشوائي بشكل كبير كما تفيد معظم مكونات الكمبيوتر. لكن لديها بعض القيود غير العادية. بينما تعمل على تسريع ذاكرة الوصول العشوائي ، تقترح مدرسة فكرية أنها تبطئ وحدات المعالجة المركزية (CPU).

يجب أن يقتصر معدل ساعة وحدة المعالجة المركزية على تقدير متحفظ لأداء أسوأ حالة لأبطأ وظيفة لوحدة المعالجة المركزية. بهذه الطريقة ، يمكنك ضمان اكتمال كل شيء في دورة ساعة واحدة ، وعدم وجود بعض الأشياء التي تتسرب ، مما يؤدي إلى إنشاء تكوينات غير مقصودة. هذا يعني أن وحدة المعالجة المركزية غير المقيدة بساعة ، قادرة على إكمال العمليات بالسرعة التي تريدها ومن ثم قادرة على الانتقال إلى التالي على الفور ، يمكن نظريًا أن تعمل بشكل أسرع.

المشكلة في هذا المنطق. نظرًا لأن الأشياء لا تكتمل بالضرورة وفقًا لجدول زمني يمكن التنبؤ به ، يجب إضافة الكثير من دوائر التحقق الإضافية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن مفهوم البنية هذا غير مفضل ، لا يوجد برنامج تصميم وحدة المعالجة المركزية كامل الميزات لتصميم وحدات المعالجة المركزية غير المتزامنة. هذا يجعل من الصعب التحقق مما إذا كان المفهوم سيوفر تعزيزًا عامًا للأداء.

الإلكترونات بطيئة

على الرغم من أنك قد تعتقد أن توفير إشارة ساعة إلى وحدة المعالجة المركزية أمر بسيط نسبيًا ، إلا أنه ليس كذلك كثيرًا. وحدات المعالجة المركزية الحديثة كبيرة نوعًا ما ومعقدة للغاية ؛ هذا يعني أن وقت انتشار إشارة كهربائية من جانب إلى آخر يمكن أن يكون مهمًا ، على الأقل مقارنة بستة من المليارات من الثانية. يتم إدخال إشارة الساعة إلى وحدة المعالجة المركزية في العديد من الأماكن لضمان مزامنة وحدة المعالجة المركزية بالكامل بشكل مثالي.

مع زيادة حجم وحدات المعالجة المركزية وزيادة كثافة الميزات ، يلزم وجود المزيد من الدوائر لتوفير توقيت دقيق. علاوة على ذلك ، نظرًا لانخفاض "عقدة" وحدات المعالجة المركزية (CPU) ، زادت المقاومة على الأسلاك الأصغر. هذا يعني أن الطاقة المطلوبة لتحديد الوقت على وحدات المعالجة المركزية الحديثة تشكل نسبة معقولة من إجمالي سحب الطاقة.

نظرًا لأن سحب الطاقة يؤثر بشكل مباشر على إنتاج الحرارة ، فإن له تأثيرًا من جزأين على أداء وحدة المعالجة المركزية ، وكلاهما سلبي. هذه حجة أخرى لوحدات المعالجة المركزية غير المتزامنة. نظرًا لعدم وجود ساعة ، فإنهم يفتقرون إلى سحب الطاقة وإنتاج الحرارة ، مما يترك مساحة أكبر للحرارة والطاقة للأداء الفعلي ، مما يساعد على تعويض الزيادة الضرورية في التعقيد.

خاتمة

نبضة الساعة هي ذروة إشارة ساعة الموجة المربعة المستخدمة لمزامنة الكمبيوتر. تستخدم معظم المكونات على وجه التحديد الحافة الصاعدة لتلك النبضة للعمل. ومع ذلك ، تستخدم ذاكرة DDR RAM كلاً من الحافة الصاعدة والهابطة للنبض للعمل. مولد ساعة ، مثل مذبذب كوارتز بيزو كهربائي ، يولد النبض. ثم يتم تعديل هذه النبضات عادةً بواسطة مُضاعِف لتتناسب بدقة مع سرعة الساعة المرغوبة.