אות שעון

אות שעון (ובקיצור "שעון") הוא מושג באלקטרוניקה. זהו סוג של אות אשר אינו מייצג נתונים ותפקידו לתזמן נכונה את הפעילות של רכיב אלקטרוני אחד או יותר, כחלק ממעגל אלקטרוני דיגיטלי. ניתן לדמות את תפקידו של אות השעון במעגל, לתפקידו של מטרונום השומר על מהירות אחידה של הנגינה. לרוב, אות השעון הוא אות מחזורי, שעוצמתו נעה בין ערך גבוה לערך נמוך, ובמחזור פעולה (Duty Cycle) של 50%, והוא מיוצר על ידי מתנד או מתקבל מממשק חשמלי חיצוני של המעגל. מעגלים הפועלים על פי אות שעון נקראים מעגלים סינכרוניים, והם מבצעים את פעולותיהם באחד מהתזמונים הבאים: בעליית השעון בירידת השעון גם בעליה וגם בירידת השעון (שיטה הנקראת Double Data Rate), לדוגמה, רכיבי DDR SDRAM בקצב פעולה מרובע (Quad Data Rate), שבו הפעולות מתבצעות בעליה, בירידה, ובשני זמנים שביניהם. אפילו מערכות אלקטרוניות פשוטות, כגון שערים לוגיים, בנויות ממספר מרכיבים אשר פועלים יחדיו. לכל מרכיב ומרכיב ישנם זמני תגובה שונים, הן בגלל השונות המזערית בין רכיב לרכיב בתהליכי הייצור, והן בגלל השימוש ברכיבים הפזורים על גבי המעגל המודפס (לדוגמה, רכיבים הממוקמים קרוב לגוף חם, כגון ספק כוח, יפעלו במהירות השונה מרכיבים מאותה סדרה שאינם קרובים אליו). על מנת שכל מרכיבי המעגל יספיקו לבצע את פעולתם, יש צורך בגורם מרכזי אשר יקבע את הזמן בו כל הרכיבים כבר סיימו לבצע את הפעולה הקודמת והם מוכנים להתחיל בביצוע פעולה חדשה. לפיכך, ניתן לדמות את אות השעון לרמזור המסמן מתי ניתן להמשיך בתנועה. במעגלים סינכרוניים, ככל שמהירות הביצוע של כלל הרכיבים היא גבוהה יותר, כך ניתן להעלות את המהירות שבה פועל אות השעון, ובמילים אחרות להעלות את התדר של אות השעון. מעגלים אלקטרוניים גדולים יכולים להכיל כמות גדולה של רכיבים, מסוגים שונים, אשר מבצעים פעולות שונות. ייתכן מצב שבו רכיב מסוים מבצע פעולה גדולה ומסובכת, ולכן הוא איטי בהשוואה לרכיבים אחרים במעגל. על מנת שרכיב זה לא יגרום להאטת התדר של אות השעון במעגל, ישנן מספר טכניקות לשמור על תדר שעון גבוה. בשיטות אלו, המעגל בנוי כך שרכיבים מהירים פועלים בקצב שעון גבוה, ומבצעים מספר פעולות הכנה הקשורות זו בזו, לפני שהנתונים או האותות מגיעים אל הרכיב האיטי. בזמן שהרכיב האיטי מבצע את פעולתו על הנתונים או האותות, הרכיבים המהירים כבר מבצעים פעולות הכנה נוספות, עבור הפעולה הבאה של הרכיב המהיר. לדוגמה, אם נדרשות 4 פעולות הכנה מהירות, לפני כל פעולה של מעבד כלשהו, אזי קצב השעון של המעגל יכול להיות פי 4 מקצב השעון של אותו המעבד. ואכן, מעבד ה-8086 מבצע פעולה יחידה בכל 4 מחזורי שעון, לכל הפחות. פעולות מורכבות יותר מבוצעות לאחר עשרות מחזורי שעון. בעבר, היה נהוג לציין את תדר אות השעון של מעבדים ורכיבים אחרים, כמדד להשוואה של הביצועים של רכיבים שונים. אמנם, כאשר רכיב מסוים פועל בקצב שעון נמוך יותר, הוא אכן מבצע פחות פעולות, ולכן הביצועים שלו נמוכים יותר. אך כאשר משווים בין רכיבים שונים, גורמים אחרים יכולים להשפיע בצורה מכרעת על הביצועים שלהם. למשל, מעבד עם קצב שעון מסוים, המבצע פעולה כל 4 מחזורי שעון, הוא מהיר פי 2, ממעבד בעל קצב שעון גבוה פי 2, אשר מבצע פעולה כל 16 מחזורי שעון. עם זאת, בעלי מחשבים בעלי יכולות טכניות, מבצעים לעיתים Overclocking על מנת לקבל ביצועים טובים יותר מהחומרה שברשותם. במהותה, פעולת ה-Overclocking היא הגדלה של קצב השעון, מעבר לקצב שמוגדר כקצב המרבי בהצהרת היצרן. לעומתם, יצרנים של מעגלים אלקטרוניים, מעדיפים לפעמים להפחית את קצב אות השעון בגלל מספר סיבות. ככל שקצב השעון גבוה יותר, כך הוא יוצר השראה אלקטרומגנטית חזקה יותר, והיא יכולה לגרום להפרעות באותות אחרים במעגל, עד כדי תקלות במערכת כולה ככל שקצב השעון גבוה יותר, התפשטות האות במעגל היא בעייתית יותר. בין השאר עלולות להיווצר בעיות של החזרה ושל גלים עומדים. מונחים בחומרה זמן מערכת קטימת אות שעון (Clock Gating) Eby G. Friedman, (1995). Clock distribution networks in VLSI circuits and systems. Institute of Electrical and Electronics Engineers. ISBN 978-0-7803-1058-2. מדיה וקבצים בנושא אות שעון בוויקישיתוף I. L. Markov, D.-J. Lee, "Algorithmic Tuning of Clock Trees and Derived Non-Tree Structures", in Proc. Int'l. Conf. Comp.-Aided Design (ICCAD), 2011.