سیگنال ساعت

در الکترونیک، و به‌ویژه در مدارهای منطقی هم‌زمان، سیگنالِ ساعت (با نام دیگر شناخته شده کلاک)  (که در گذشته به عنوان پالس منطقی نیز شناخته می‌شد) یک سیگنال منطقی الکترونیکی (جریان یا ولتاژ) است که بین یک حالت بالا و پایین در یک فرکانس ثابت در نوسان است و مانند مترونوم برای همگام سازی عملیات های مدارهای دیجیتال استفاده میشود.  در مدارهای منطقی هم‌زمان (رایج‌ترین نوع مدار دیجیتال) سیگنال ساعت به همه دستگاه‌های ذخیره‌سازی، فلیپ فلاپ‌ها و لچ‌ها اعمال می‌شود و باعث می‌شود که همه آنها به طور همزمان تغییر حالت داده و از شرایط رقابتی جلوگیری می‌شود.

سیگنال ساعت توسط یک نوسان‌ساز الکترونیکی به نام مولد ساعت تولید می‌شود. رایج‌ترین سیگنال ساعت به شکل موج مربعی با دوره کاری 50 درصد است. مدارهایی که از سیگنال ساعت برای همگام‌سازی استفاده می‌کنند ممکن است در لبه بالارونده(rising edge)، لبه پایین رونده (falling edge) یا در حالت نرخ دوبرابری داده(DDR)است، هم در لبه‌های بالارونده و هم در لبه‌های پایین رونده چرخه ساعت فعال شود.

 مدارهای دیجیتال 
بندانگشتی|قدی و زیبا و نشان دهنه وضعیت مردم در مقابل ای سی ها
اکثر مدارهای مجتمع (IC) با پیچیدگیهای کافی از یک سیگنال ساعت برای همگام‌سازی قسمت‌های مختلف مدار استفاده می‌کنند که با نرخی کندتر از بدترین حالت تأخیرهای انتشار داخلی کار می‌کند. در برخی موارد، بیش از یک چرخه ساعت برای انجام یک عمل قابل پیش‌بینی نیاز است. با پیچیده‌تر شدن مدارهای مجتمع، مشکل تامین سیگنال ساعت دقیق و همگام برای همه مدارها دشوار می‌شود. نمونه برجسته چنین تراشه‌های پیچیده‌ای، ریزپردازنده ای است که جزء مرکزی کامپیوترهای مدرن به حساب می‌آید که بر سیگنال ساعت یک نوسان ساز کریستالی متکی است. تنها استثنا، مدارهای غیرهمگام (asynchronous)، مانند پردازنده‌های مرکزی غیرهمگام هستند.

یک سیگنال ساعت همچنین ممکن است حالت دروازه‌ای باشد، یعنی با یک سیگنال کنترلی ترکیب شده و سیگنال ساعت را برای بخش خاصی از مدار فعال یا غیرفعال می‌کند. این تکنیک اغلب برای صرفه‌جویی در مصرف برق استفاده می‌شود بدین‌صورت که بخش‌هایی از مدار دیجیتال در زمانی که استفاده نمی‌شوند خاموش می‌شوند، اما به دلیل پیچیدگی در تحلیل زمان‌بندی هزینه‌های اضافی در پی دارد.

 سیگنال ساعت تک‌فاز 
بیشتر مدارهای سنکرون مدرن فقط از یک "سیگنال ساعت تک فاز" استفاده می‌کنند - به عبارت دیگر، همه سیگنال‌های ساعت (به طور موثر) روی یک سیم منتقل می‌شوند.

 سینگال ساعت دوفاز 
در مدارهای سنکرون، "سیگنال ساعت دو فاز" به سیگنال ساعتی اطلاق می‌شود که سیگنال ساعت روی دو سیم توزیع شده و هر کدام دارای پالس‌های غیر همپوشان هستند. به طور مرسوم یک سیم "فاز 1" یا "φ1" یا "(phi1)" نامیده می‌شود، سیم دیگر سیگنال "فاز 2" یا "φ2" را حمل می‌کند از آنجایی که تضمین  شده که دو فاز همپوشانی ندارند، به جای فلیپ فلاپ‌های حساس به لبه‌، می‌توان از لچ‌های گیت‌دار برای ذخیره حالت استفاده کرد تا زمانی که ورودی‌های لچ‌های یک فاز تنها به خروجی‌های لچ‌های فاز دیگر بستگی داشته باشند. از آنجایی که یک لچ گیت‌دار تنها از چهار گیت در مقابل شش گیت برای فلیپ فلاپ حساس به لبه‌ استفاده می‌کند، یک سیگنال ساعت دو فازی می‌تواند منجر به طراحی با تعداد گیت بسیار کمتر شود، اما معمولاً در پیچیدگی طراحی و عملکرد با مقداری هزینه مواجه است.

مدارهای مجتمع این سیگنال ها که به صورت ترانزیستور اثرِ میدانیِ نیم‌رسانا اکسید-فلز  (MOS) بودند معمولاً در دهه 1970 از سیگنال‌های ساعت دوگانه (سیگنال ساعت دو فاز) استفاده می‌کردند. این مدارهای مجتمع به صورت خارجی برای هر دو ریزپردازنده موتورولا 6800 و 8080 اینتل تولید شدند. نسل بعدی ریزپردازنده‌ها، سیگنال ساعت را روی تراشه قرار دادند. 8080 از یک سیگنال ساعت 2 مگاهرتز استفاده می‌کند، اما توان پردازشی مشابه 6800 با کلاک 1مگاهرتز است. 8080 برای اجرای یک دستور پردازنده به چرخه‌های ساعت بیشتری نیاز دارد. 6800 به دلیل منطق دینامیکی دارای حداقل نرخ سیگنال ساعت 100 کیلوهرتز و 8080 دارای حداقل نرخ سیگنال ساعت 500 کیلوهرتز است. نسخه‌های با سرعت بالاتر هر دو ریزپردازنده تا سال 1976 منتشر شد.

6501 به یک ژنراتور سیگنال ساعت 2 فاز خارجی نیاز دارد. تکنوولوژی MOS 6502 از همان منطق 2 فاز داخلی استفاده می‌کند، اما همچنان شامل یک سیگنال ساعت 2 فاز روی تراشه است، بنابراین فقط به یک ورودی ساعت تک فاز نیاز دارد که طراحی سیستم را ساده می‌کند.

 سیگنال ساعت چهار‌فاز 
برخی از مدارهای مجتمع اولیه از منطق چهار فازی استفاده می‌کنند که به ورودی سیگنال ساعت چهار فازی متشکل از چهار سیگنال ساعت مجزا و غیر همپوشان نیاز دارند. این امر به ویژه در میان ریزپردازنده‌های اولیه مانند National Semiconductor IMP-16، Texas Instruments TMS9900 و در تراشه هایWestern Digital MCP-1600  مورد استفاده در DEC LSI-11 رایج بود.

سیگنال ساعت‌های چهار فاز به ندرت در پردازنده‌های CMOS جدیدتر مانند ریزپردازنده DEC WRL MultiTitan استفاده شده است و در فناوری Fast14 Intrinsity اکثر ریزپردازنده‌ها و میکروکنترلرهای مدرن از سیگنال ساعت تک فاز استفاده می‌کنند.

 سیگنال ساعت مالتی پلیر(افزاینده) 
بسیاری از میکروکامپیوترهای و مدرن از یک "سیگنال ساعت مالتی پلیر" استفاده می‌کنند که یک سیگنال ساعت خارجی فرکانس پایین‌تر را به نرخ سیگنال ساعت مناسب ریزپردازنده ضرب می‌کند. این سیگنال ساعت به CPU اجازه می‌دهد تا با فرکانس بسیار بالاتری نسبت به بقیه کامپیوتر کار کند، که باعث افزایش عملکرد در شرایطی می شود که CPU نیازی به منتظر ماندن روی یک عامل خارجی (مانند حافظه یا ورودی/خروجی) ندارد.

تغییر فرکانس دینامیکی

اکثریت قریب به اتفاق دستگاه‌های دیجیتال به سیگنال ساعت با فرکانس ثابت و بدون تغییر نیاز ندارند. . تا زمانی که حداقل و حداکثر زمان تناوب سیگنال ساعت رعایت شوند، زمان بین لبه‌های ساعت می‌تواند به طور گسترده‌ای از یک لبه به لبه بعدی رفته و دوباره برگردد. چنین دستگاه‌های دیجیتالی با یک مولد سیگنال ساعت که به صورت فعال فرکانس خود را تغییر می‌دهد، مانند تولید سیگنال ساعت طیف گسترده، مقیاس‌گذاری فرکانس پویا و غیره، به خوبی کار می‌کنند.چنین دستگاه‌هایی که از منطق ایستا استفاده می‌کنند، حتی حداکثر زمان تناوب ساعت (یا به بیان دیگر، حداقل فرکانس ساعت) مشخصی ندارند. اینگونه دستگاه‌ها را می‌توان به طور نامحدود کند یا متوقف کرد و سپس در هر زمان بعدی با سرعت کامل ساعت از سر گرفت.

 مدارهای دیگر 
برخی از مدارهای حساس سیگنال-مخلوط، مانند مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال دقیق، به جای امواج مربعی از موج‌های سینوسی به عنوان سیگنال کلاک خود استفاده می‌کنند؛ زیرا امواج مربعی حاوی هارمونیک‌های فرکانس بالا هستند که می‌توانند با مدارهای آنالوگ تداخل کرده و نویز ایجاد کنند.چنین سیگنال ساعت‌های موج سینوسی، اغلب سیگنال‌های دیفرانسیل هستند، زیرا این نوع سیگنال دو برابر نرخ چرخش و در نتیجه نیمی از عدم قطعیت زمان‌بندی یک سیگنال تک‌ لبه با محدوده ولتاژ یکسان را دارد.  همچنین سیگنال‌های دیفرانسیل تشعشعات کم‌تری نسبت به یک خط مجزا منتشر می‌کنند. و به عنوان گزینه دیگر برای استفاده از یک خط مجزا هستند که توسط خطوط تغذیه و زمین محافظت می‌شود.

در مدارهای  CMOS، ظرفیت‌های گیت به طور مداوم شارژ و دشارژ می‌شود. یک خازن انرژی را هدر نمی‌دهد، اما انرژی در ترانزیستورهای محرک هدر می‌رود. در محاسبات برگشت‌پذیر، می‌توان از القاگرها برای ذخیره این انرژی و کاهش اتلاف انرژی استفاده کرد، اما معمولاً القاگرها بسیار بزرگ هستند. روش دیگر، با استفاده از یک سیگنال ساعت موج سینوسی، گیت‌های انتقال CMOS و تکنیک‌های صرفه‌جویی در مصرف انرژی، می‌توان انرژی مورد نیاز را کاهش داد.

 توزیع 
موثرترین راه برای رساندن سیگنال ساعت به هر قسمت از تراشه که به آن نیاز دارد، با کمترین میزان تاخیر نسبی،استفاده از یک شبکه فلزی است. در یک ریزپردازنده بزرگ، توان مورد استفاده برای هدایت سیگنال ساعت می‌تواند بیش از 30 درصد کل توان مصرفی تراشه باشد. کل ساختار با دروازه‌ها در انتها و تمام تقویت‌کننده های میانی باید در هر چرخه بارگیری و تخلیه شوند. برای صرفه‌جویی در انرژی، دروازه سیگنال ساعت به طور موقت بخشی از درخت (مدار/شبکه) را خاموش می‌کند.

شبکه توزیع سیگنال ساعت (زمانی که این شبکه یک درخت مانند H-tree را تشکیل می‌دهد به آن درخت سیگنال ساعت نیز گفته می‌شود) سیگنال(های) ساعت را از یک نقطه مشترک به تمام عناصری که به آن نیاز دارند توزیع می‌کند. از آنجایی که این عملکرد برای عملکرد یک سیستم سنکرون حیاتی است، توجه زیادی به ویژگی‌های این سیگنال‌های ساعت و شبکه‌های الکتریکی مورد استفاده در توزیع آنها شده است. سیگنال‌های ساعت اغلب به عنوان سیگنال‌های کنترلی ساده در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، این سیگنال‌ها دارای برخی ویژگی‌های بسیار خاص هستند.

سیگنال‌های ساعت معمولاً با بیشترین گنجایش(بار) خروجی بارگذاری می‌شوند و با بالاترین سرعت هر سیگنال در سیستم سنکرون کار می‌کنند. از آنجایی که سیگنال‌های داده با یک مرجع زمانی توسط سیگنال‌های ساعت ارائه می‌شوند، شکل موج سیگنال ساعت باید به  صورت ویژه تمیز(عاری از نویز) و تیز‌(با لبه‌های سریع) باشد. علاوه بر این، این سیگنال‌های ساعت تحت‌تاثیر مقیاس‌بندی فناوری قرار می‌گیرند(قانون مور را ببینید)، به‌طوری‌که خطوط طولانی اتصال سراسری با کاهش ابعاد خط، به‌طور قابل‌توجهی مقاومت بیشتری می‌کنند. این افزایش مقاومت خط یکی از دلایل اصلی افزایش اهمیت توزیع سیگنال ساعت در عملکرد مدار سنکرون است. در نهایت، کنترل هرگونه تفاوت و عدم قطعیت در زمان رسیدن سیگنال های ساعت می‌تواند به شدت زیاد عملکرد کل سیستم را محدود کند و شرایط رقابتی را ایجاد کند که در آن سیگنال داده نادرست است ممکن در یک ثبات قفل شود.

اکثر سیستم‌های دیجیتال سنکرون شامل بانک‌های آبشاری از ثبات‌های متوالی با منطق ترکیبی بین هر مجموعه از ثبات‌ها هستند. الزامات عملکردی سیستم دیجیتال با مراحل منطقی برآورده می‌شود. هر مرحله منطقی تاخیری را معرفی می‌کند که بر عملکرد زمان‌بندی تأثیر می‌گذارد، و عملکرد زمان‌بندی طراحی دیجیتال را می‌توان نسبت به الزامات زمان‌بندی با تحلیل زمان‌بندی ارزیابی کرد. اغلب ملاحظات ویژه‌ای باید به منظور برآورده ساختن الزامات زمان در نظر گرفته شود. برای مثال، عملکرد جهانی و الزامات زمان‌بندی محلی ممکن است با درج دقیق ثبات‌های خط لوله در پنجره‌های زمانی با فواصل مساوی برای برآوردن محدودیت‌های زمان‌بندی در بدترین حالت برآورده شوند. طراحی مناسب شبکه توزیع سیگنال ساعت کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که الزامات زمان‌بندی بحرانی برآورده شده‌اند و هیچ شرایط رقابتی وجود ندارد (همچنین اسکیو ساعت را ببینید).

اجزای تاخیری که یک سیستم سنکرون کلی را تشکیل می‌دهند از سه زیرسیستم مجزا تشکیل شده‌اند: عناصر ذخیره‌سازی حافظه، عناصر منطقی، و مدار سیگنال‌ ساعت و شبکه توزیع.

ساختارهای جدید در حال حاضر در حال توسعه برای بهبود این مسائل و ارائه راه حل های موثر است. حوزه‌های مهم تحقیق شامل تکنیک‌های ساعت رزونانس ("مش ساعت رزونانس")،  اتصال نوری روی تراشه، و روش‌های همگام‌سازی محلی است.

 جستار های وابسته 

 عملکرد بیت-سنکرون – ارتباط دیجیتال با استفاده از جریان بیتی همگام‌شده با کلاک
 عبور از حوزه‌ی کلاک – مفهوم عبور سیگنال بین ناحیه‌های کلاک متفاوت در طراحی الکترونیک دیجیتال
 نرخ کلاک – فرکانس عملکرد تراشه یا هسته‌ی پردازنده
 گردش طراحی (EDA) – مجموعه‌ای از ابزارهای طراحی الکترونیک
 اتوماسیون طراحی الکترونیک – نرم‌افزار برای طراحی سیستم‌های الکترونیکی
 منطق چهارفازی
 طراحی مدار مجتمع – فرآیند مهندسی برای سخت‌افزار الکترونیکی
 مدل منطق واسط
 جیتر (لرزش زمانی) – انحراف کلاک از دوره‌تناوب ایده‌آل
 سیگنال پالس-در-ثانیه – دسته‌ای از سیگنال‌های الکتریکی
 کد زمانی – دنباله‌ای از کدهای عددی تولیدشده در فواصل منظم توسط یک سیستم همگام‌سازی زمانی
 سیگنال خود-کلاک‌ده – سیگنالی که بدون نیاز به منبع بیرونی همگام‌سازی، قابل رمزگشایی است

 منابع 

رده:سیگنال ساعت