Кіріспе

Электрондық тізбектердің уақытын синхрондау Электроникада, әсіресе синхронды цифрлық тізбектерде, сағаттық сигнал (тарихи түрде логикалық импульс деп те аталады) екі фазаның бірін-бірі басып алмауы кепілдігімен, жинақтағыштар, шеттік триггерлі флип-флоптардың орнына, жай-күй ақпаратын сақтау үшін қолданылуы мүмкін, егер бір фазадағы жинақтағыштарға берілетін кіріс мәліметтері екінші фазадағы жинақтағыштардың шығысына ғана байланысты болса. Жинақтағыш тек төрт логикалық элементті пайдаланады, ал шеттік триггерлі флип-флопқа алты элемент қажет болғандықтан, екі фазалы сағат жалпы логикалық элементтердің санын азайтуға мүмкіндік береді, бірақ көбінесе дизайнның күрделілігі мен өнімділігіне кедергі келтіреді. Металл-оксидті жартылайөткішгіш (MOS) интегралды схемалары (ИС) әдетте 1970 жылдары екі сағаттық сигналды (екі фазалы сағатты) қолданды. Олар Motorola 6800 және Intel 8080 микропроцессорлары үшін сыртқы түрде жасалды. Микропроцессорлардың келесі буыны сағатты жасауды чипке енгізді. 8080 2 МГц сағатты қолданады, бірақ өңдеу жылдамдығы 1 МГц 6800-ге ұқсас. 8080 процессорлық нұсқауларды орындау үшін көбірек сағат циклдары қажет. 6800-дің ең төменгі сағат жиілігі 100 кГц, ал 8080-дің ең төменгі сағат жиілігі 500 кГц. Екі микропроцессордың да жылдамдығы жоғары нұсқалары 1976 жылы шығарылды. 6501-ге сыртқы 2 фазалы сағат генераторы қажет. MOS Technology 6502 ішкі жағынан бірдей 2 фазалы логиканы қолданады, сонымен қатар чипке екі фазалы сағат генераторын қосады, сондықтан оған тек бір фазалы сағаттық кіріс қажет, бұл жүйе дизайнын жеңілдетеді.

4 фазалы сағат

Кейбір алғашқы интегралдық схемалар төрт фазалы логиканы қолданады, оларға төрт бөлек, бірін-бірі жаппай алмастырмайтын сағат сигналдарынан тұратын төрт фазалы сағаттық кіріс қажет. Бұл әсіресе National Semiconductor IMP 16, Texas Instruments TMS9900 және DEC LSI 11-де қолданылған Western Digital MCP 1600 чипсеттері сияқты алғашқы микропроцессорларда кең таралған. Төрт фазалы сағаттар DEC WRL MultiTitan микропроцессоры және Intrinsity компаниясының Fast14 технологиясы сияқты жаңа CMOS процессорларында сирек қолданылады. Көптеген қазіргі заманғы микропроцессорлар мен микроконтроллерлер бір фазалы сағатты пайдаланады.

Сағат көбейтуші

Көптеген заманауи микрокомпьютерлер микропроцессордың қажетті сағаттық жиілігіне төменгі жиілікті сыртқы сағатты көбейтетін "сағат көбейткішін" пайдаланады. Бұл процессордың компьютердің қалған бөліктерінен әлдеқайда жоғары жиілікте жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, процессор жад немесе кіріс/шығыс сияқты сыртқы факторларды күтпеуі тиіс жағдайларда өнімділікті арттырады.

Динамикалық жиілік өзгеруі

Цифрлық құрылғылардың көпшілігіне тұрақты жиіліктегі сағат қажет емес. Сағат импульстары арасындағы ең аз және ең көп уақыт сақталғанда, импульстар арасындағы уақыт бір импульстан екіншісіне және керісінше айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Мұндай цифрлық құрылғылар жиілігін динамикалық түрде өзгертетін сағат генераторымен де жақсы жұмыс істейді, мысалы, кең спектрлі сағат генерациясы, динамикалық жиілік масштабы сияқты. Статикалық логиканы қолданатын құрылғыларда тіпті ең жоғары сағат импульсының ұзақтығы (яғни, ең төменгі жиілік) болмайды; мұндай құрылғыларды кез келген уақытта тоқтатып, кейін толық жылдамдықпен қайта іске қосуға болады.

Басқа контурлар

Кейбір сезімтал аралас сигналдық тізбектер, мысалы, жоғары дәлдікті аналогты-цифрлық түрлендіргіштер, сағаттық сигнал ретінде шаршы толқындардың орнына синустық толқындарды пайдаланады, себебі шаршы толқындарда аналогтық тізбектерге бөгет жасайтын және шу тудыратын жоғары жиілікті гармоникалар болады. Мұндай синустық толқын сағаттары көбінесе дифференциалдық сигналдар болып табылады, өйткені осы сигнал түрінің жылдамдығы екі есе жоғары, демек, бір ұшталған сигналдың сол кернеу диапазонындағы уақыт белгісіздігі екі есе азайған болады. Дифференциалдық сигналдар бір желіге қарағанда аз сәулелендіреді. Балама ретінде, қуат және жер сызықтарымен қоршалған бір желі қолданылуы мүмкін. CMOS тізбектерінде қақпалық сыйымдылықтар үнемі зарядталып және босатылып отырады. Конденсатор энергияны ысырапқа жібермейді, бірақ энергия басқарушы транзисторларда жоғалады. Кері есептеулерде индукторларды осы энергияны сақтау және энергия жоғалтуын азайту үшін қолдануға болады, бірақ олар көбінесе өте үлкен болады. Балама ретінде, синустық толқын сағатын, CMOS өткізу қақпаларын және энергияны үнемдеу техникаларын пайдалану арқылы қуат талаптарын азайтуға болады.

Тарату

Металл тор сағат сигналын қажетті барлық бөліктерге ең аз қисылумен жеткізудің ең тиімді жолы болып табылады. Үлкен микропроцессорда сағат сигналын басқаруға жұмсалатын қуат чиптің жалпы қуатының 30% -дан асып кетуі мүмкін. Бүкіл құрылымның шетіндегі қақпалар мен олардың арасындағы күшейткіштердің бәрін әр циклде жүктеу және түсіру қажет. Энергияны үнемдеу үшін сағатты қақпалар ағаштың бір бөлігін уақытша өшіреді. Сағат тарату желісі (немесе сағат ағашы, егер бұл желі H ағашы сияқты ағаш құраса) сағат сигналын ортақ нүктеден оны қажет ететін барлық элементтерге таратады. Бұл функция синхронды жүйенің жұмыс істеуі үшін маңызды болғандықтан, осы сағат сигналдарының сипаттамаларына және оларды таратуда қолданылатын электр желілеріне көп көңіл бөлінеді. Сағат сигналдары көбінесе қарапайым басқару сигналдары ретінде қарастырылады; алайда, бұл сигналдардың ерекше қасиеттері мен атрибуттары бар. Сағат сигналдары әдетте ең үлкен жүктемемен (fanout) жүктеледі және синхронды жүйедегі кез келген сигналдың ең жоғары жылдамдығында жұмыс істейді. Дерек сигналдары уақыттық анықтамамен сағат сигналдарымен қамтамасыз етілгендіктен, сағат толқын формалары өте таза және өткір болуы керек. Сонымен қатар, бұл сағат сигналдары технологияның масштабына (Мур заңы) әсіресе сезімтал, себебі желі өлшемдері кішірейгенде ұзын жаһандық байланыс желілері айтарлықтай кедергіге ие болады. Бұл желілік кедергінің артуы синхронды өнімділікте сағат таратудың маңыздылығының артуының басты себебінің бірі болып табылады. Соңында, сағат сигналдарының келу уақытындағы кез келген айырмашылықтар мен белгісіздіктерді бақылау бүкіл жүйенің максималды өнімділігін шектеуі мүмкін және қате дерек сигналы тіркеуіште (регистрде) тұйықталуы мүмкін болатын қауіпті жарыс жағдайларын тудыруы мүмкін. Көптеген синхронды цифрлық жүйелер тіркеуіштердің каскадтық тізбектерінен тұрады, олардың әрбір жиыны арасында комбинациялық логика орналасқан. Цифрлық жүйенің функционалдық талаптары логикалық сатылармен орындалады. Әрбір логикалық саты уақытты басқаруға әсер ететін кешігуді енгізеді, ал цифрлық жобаның уақытты басқаруы уақыт талдауы арқылы уақыттық талаптарға қатысты бағаланады. Көбінесе уақыттық талаптарды орындау үшін ерекше назар қажет. Мысалы, жаһандық өнімділік пен жергілікті уақыттық талаптар құбыржол тіркеуіштерін бірдей аралықтағы уақыт терезелеріне мұқият орналастыру арқылы қанағаттандырылуы мүмкін. Сағат тарату желісін дұрыс жобалау уақыттық талаптардың орындалуын және жарыс жағдайларының болмауын қамтамасыз етуге көмектеседі (сағаттың қисылуына да қараңыз). Жалпы синхронды жүйені құрайтын кешігу компоненттері келесі үш жеке кіші жүйеден тұрады: жад сақтау элементтері, логикалық элементтер және сағаттауыш схемалары мен тарату желісі. Қазіргі уақытта осы мәселелерді шешу және тиімді шешімдер ұсыну үшін жаңа құрылымдар әзірленуде. Зерттеудің маңызды салаларына резонанстық сағаттық техникалар ("резонанстық сағаттық тор"), чиптегі оптикалық байланыс және жергілікті синхрондау әдістемелері жатады.