Co to jest puls zegara?

W komputerze większość komponentów jest zsynchronizowana z zegarem. Jednak nie wszystko jest koniecznie zsynchronizowane z tym samym zegarem. Na przykład procesor może działać niewiarygodnie szybko, a modele z wyższej półki zbliżają się do 6 miliardów cykli na sekundę. Większość innych komponentów nie jest w stanie dorównać tej niesamowitej prędkości. Zegar wskazuje dokładnie, kiedy komponent ma działać. Dokładna funkcjonalność zależy oczywiście od komponentu. Ale podstawowa koncepcja jest taka sama, trwale zsynchronizowana z tykaniem zegara.

W komputerze prawie wszystkie zegary są sygnalizowane falą prostokątną. Impuls zegarowy to „szczyt” fali prostokątnej. Co ciekawe, nic nie wykorzystuje tego szczytu jako wyzwalacza czegokolwiek. Nawet zegar, który tyka 6 miliardów razy na sekundę, spędza wystarczająco dużo czasu w szczytach i dołkach, aby dokładny czas miał wystarczającą zmienność, aby powodować problemy. Zamiast tego większość urządzeń działa w szczególności na narastającym zboczu impulsu zegarowego podczas jego aktywacji.

RAM jest ciekawym wyjątkiem. Być może wiesz, że generacje pamięci RAM są obecnie określane jako „DDR X”. Ten termin DDR jest znaczący. Oznacza „podwójną szybkość transmisji danych”. Podczas gdy standardowe urządzenia działają tylko na narastającym zboczu impulsu zegara, DDR RAM działa zarówno na narastającym, jak i opadającym zboczu impulsu zegara. To podwaja przepustowość w tej samej technologii przy użyciu pojedynczej szybkości transmisji danych. Ponieważ przepustowość jest kluczowym elementem wydajności pamięci RAM, ta technologia DDR jest teraz uniwersalna w pamięci RAM.

Jak działa puls zegara?

Generator zegara generuje impuls zegarowy. Zwykle jest to starannie ukształtowany kryształ kwarcu, przez który przepływa prąd elektryczny. Jedną z jego nieodłącznych właściwości jest to, że generuje idealnie regularny impuls elektryczny. Chociaż kryształy można dostroić do zakresu częstotliwości, zwykle stosuje się tylko dwa, a wtedy tylko jeden z nich jest dominujący. Większość zegarów tyka z częstotliwością 100 MHz lub 100 milionów cykli na sekundę. Niektóre komputery są wyposażone w drugi zegar działający z częstotliwością 125 MHz.

Można zauważyć, że jest to znacznie mniej niż 6 GHz, które w optymalnych warunkach mogą uzyskać nowoczesne procesory. Zamiast tworzyć jeden zegar do kontrolowania szybkości procesora, a następnie blokowania go na tej dokładnej częstotliwości, częstotliwość procesora i innych urządzeń jest ustawiana za pomocą mnożnika. Mnożnik mnoży liczbę impulsów na sekundę. Jedną z kluczowych zalet tego jest to, że mnożnik można regulować. Ta regulacja może odbywać się w locie, umożliwiając precyzyjną kontrolę wydajności w oparciu o rezerwę termiczną, rezerwę mocy i obciążenie.

Ograniczenia projektowe wynikające z pracy z impulsami zegarowymi

Synchronizacja z zegarami znacznie zwiększa wydajność pamięci RAM i przynosi korzyści większości komponentów komputera. Ma jednak pewne nietypowe ograniczenia. Chociaż przyspieszył pamięć RAM, szkoła myślenia sugeruje, że spowalnia procesory.

Częstotliwość taktowania procesora musi być ograniczona do konserwatywnego oszacowania wydajności najwolniejszej funkcji procesora w najgorszym przypadku. W ten sposób możesz zagwarantować, że wszystko zakończy się w jednym cyklu zegara i nie będziesz mieć niektórych rzeczy krwawiących, tworzących niezamierzone konfiguracje. Oznacza to, że procesor nieograniczony zegarem, zdolny do wykonywania operacji tak szybko, jak chce, a następnie natychmiastowego przejścia do następnej, mógłby teoretycznie działać znacznie szybciej.

Problemem w tym jest logika. Ponieważ rzeczy niekoniecznie kończą się zgodnie z przewidywalnym harmonogramem, musisz dodać wiele dodatkowych obwodów weryfikacyjnych. Co więcej, ponieważ ta koncepcja architektury jest niekorzystna, nie istnieje żadne w pełni funkcjonalne oprogramowanie do projektowania procesorów do projektowania asynchronicznych procesorów. Utrudnia to sprawdzenie, czy koncepcja zapewniłaby ogólny wzrost wydajności.

Elektrony są powolne

Chociaż może ci się wydawać, że dostarczanie sygnału zegarowego do procesora jest stosunkowo proste, wcale tak nie jest. Nowoczesne procesory są dość duże i bardzo skomplikowane; oznacza to, że czas propagacji sygnału elektrycznego z jednej strony na drugą może być znaczący, przynajmniej w porównaniu z jedną sześciomiliardową sekundy. Sygnał zegara jest wprowadzany do procesora w wielu miejscach, aby zapewnić idealną synchronizację całego procesora.

W miarę jak procesory stają się coraz większe, a gęstość funkcji rośnie, potrzeba więcej obwodów, aby zapewnić dokładne taktowanie. Co więcej, wraz ze zmniejszaniem się „węzła” procesorów, rezystancja na mniejszych przewodach wzrosła. Oznacza to, że moc wymagana do tykania zegara na nowoczesnych procesorach stanowi rozsądną część całkowitego poboru mocy.

Ponieważ pobór mocy bezpośrednio wpływa na wytwarzanie ciepła, ma dwuczęściowy wpływ na wydajność procesora, oba negatywne. Jest to kolejny argument przemawiający za asynchronicznymi procesorami. Brak zegara powoduje brak poboru mocy i wytwarzania ciepła, pozostawiając więcej miejsca na ciepło i moc dla rzeczywistej wydajności, dodatkowo pomagając zrekompensować niezbędny wzrost złożoności.

Wniosek

Impuls zegarowy to szczyt sygnału zegarowego o fali prostokątnej używanego do synchronizacji komputera. Większość komponentów specjalnie wykorzystuje narastające zbocze tego impulsu do działania. Jednak DDR RAM wykorzystuje do działania zarówno narastające, jak i opadające zbocze impulsu. Generator zegara, taki jak kwarcowy oscylator piezoelektryczny, generuje impuls. Impulsy te są następnie zazwyczaj modyfikowane przez mnożnik, aby dokładnie dopasować żądaną prędkość zegara.