Генератор тактовой частоты процессора

Содержание

Генератор тактовой частоты – что это такое, определение термина

Генератор тактовой частоты – устройство для выработки через равные отрезки времени последовательности импульсов.

Генератор тактовой частоты – заказать или купить

Детальная информация

Время между двумя последовательными импульсами называется тактом. Некоторые команды процессора выполняются за несколько тактов. Импульсы, проходя через все элементы компьютера, заставляют их работать в едином такте – синхронно. Частота генерации тактовых импульсов определяет быстродействие компьютера.

Источником опорной частоты служит, как правило, кварцевый резонатор ("кварц") на частоту 14.318 МГц.

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота все же формируется кварцевым резонатором, она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой. Например, частота системной шины может быть всегда равна стандартным 33 МГц, AGP – 66 МГц и не зависеть от частоты FSB процессора.

Тактовый генератор – электронная схема, производящая тактовый сигнал для синхронизации работы цифровых схем. Такой сигнал может иметь любую форму: и простую прямоугольную, и более сложную. Основными элементами генератора являются резонансная схема и усилитель.

Тактовые сигналы

В электронике, в особенности в синхронных цифровых сетях, тактовый сигнал – это сигнал, имеющий постоянную частоту, два устойчивых состояния (верхнее и нижнее), предназначенных для согласования работы цифровых схем.

Тактовые сигналы создаются тактовыми генераторами. Наиболее распространенной формой тактового сигнала является меандр (сигнал с рабочим циклом 50%). Рабочий цикл – отношение длительности к периоду импульса. Другими словами, это часть периода, в течение которой сигнал активен.

Схемы, использующие тактовые сигналы, могут становиться активными во время переднего фронта, заднего фронта, или, в случае удвоенной скорости передачи данных, переднего и заднего фронтов импульса.

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Генератор тактовых импульсов для компьютера

В компьютере генератор отвечает за синхронную работу всех его устройств: процессора, оперативной памяти, шин данных. Работу процессора при этом можно сравнить с работой часов. Исполнение инструкции центральным процессором осуществляется за определенное число тактов. Точно также функционируют и часы. Такты в механических часах определяются колебаниями маятника.

Производительность процессора напрямую зависит от частоты тактов. Чем больше частота тактов, тем больше инструкций процессор способен выполнить за определенный промежуток времени. Одна команда или инструкция может выполняться процессором за часть такта или за несколько сотен тактов. Общая тенденция современного развития компьютерной техники заключается в снижении количества тактов, выделяемых для выполнения одной простейшей инструкции.

Оверклокинг

Особый интерес тактовый генератор процессора представляет для оверклокеров. К оверклокерам относят специалистов в области компьютерных технологий и просто любителей, стремящихся повысить производительность своей техники. В настоящее время оверклокинг доступен даже простым пользователям. Для изменения настроек компонентов компьютера иногда достаточно просто зайти в BIOS.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: за счет чего будет повышаться производительность? Здесь все очень просто. Производители компьютерных комплектующих для повышения надежности своих компонентов закладывают в них технологический запас. Именно этот запас и привлекает любителей выжать максимум из своего компьютера.

Одним из способов разгона компьютера будет замена кварцевого резонатора на кристалл, имеющий более высокую частоту. Или, например, можно убрать дополнительные элементы в виде делителей частоты из схемы генератора.

В современных компьютерах генераторы, как правило, реализуются на одной интегральной схеме. Значения тактовой частоты и множителя процессора, как уже было отмечено выше, можно изменить непосредственно из BIOS.

Начинающие оверклокеры нередко задаются вопросом, как определить модель тактового генератора. Программными средствами это сделать невозможно. Остается только открывать системный блок и искать генератор визуально.

С другой стороны, программным способом определяется модель материнской платы (AIDA64, Everest и другие). Затем для данной модели ищется подробная инструкция, а в ней вполне возможно будет найти информацию о названии генератора. А как узнать для тактового генератора значение тактовой частоты, установленное по умолчанию, и значение после разгона? Эти сведения также можно почерпнуть из инструкции для материнской платы.

Основные элементы

В качестве резонансной схемы генератора часто выступает кварцевый пьезо-электрический возбудитель. В то же время могут использоваться более простые схемы параллельного резонансного контура и RC-цепь (схема состоящая из конденсатора и резистора).

Генератор может иметь дополнительные схемы для изменения основного сигнала. Так процессор 8088 использует только две трети от рабочего цикла тактового сигнала. Это требует наличия в генераторе тактовых импульсов. И встроенной логической схемы для преобразования рабочего цикла.

По мере усложнения формы выходного синхросигнала в схеме генератора тактовых импульсов могут использоваться смеситель, делитель или умножитель частоты. Смеситель частоты генерирует сигнал, частота которого равна сумме или разности двух частот входных сигналов.

Схема фазовой автоподстройки частоты

Многие устройства используют схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для сравнения фазы сигнала с выхода генератора с фазой частоты и регулировки частоты генератора таким образом, чтобы значения фаз совпали.

На рисунке приведена схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Устройство сравнения фаз (компаратор) имеет 2 входа и 1 выход. В качестве входных сигналов используется сигнал от задающего генератора (сигнал на входе схемы ФАПЧ) и сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН). Компаратор сравнивает фазы двух сигналов и формирует сигнал ошибки, который следует на фильтр нижних частот (ФНЧ), а с него – на ГУН, управляя его частотой.

Виды тактовых генераторов

1. Генераторы общего назначения

Генераторы общего назначения, как правило, используют схемы ФАПЧ для генерирования выходных сигналов из общей входной частоты. Они для получения опорной частоты используют простые недорогие кварцевые кристаллы. Из сигнала опорной частоты они генерируют выходные тактовые сигналы с низким уровнем дрожания фронта сигнала.

2. Программируемые генераторы

Позволяют изменять коэффициент, используемый делителем или умножителем. Благодаря этому можно выбрать любую из множества выходных частот без изменения аппаратной части.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

• входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
• схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
• выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
• схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
• интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
• служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Для функционирования цифровых схем характерен строгий порядок че­ре­дования логических состояний. Он называется тактированием и ис­чис­ляется в (кило-, мега-, гига-) герцах. Так, например, системное вре­мя тактируется частотой в 32 КГц, а ес­ли точнее — 32768 Гц. Почему? От­вет три­ви­аль­ный: в основе работы системных ча­сов лежит использование пят­над­ца­ти­раз­ряд­но­го двоичного счетчика (2 15 ). Если его ин­кре­мен­ти­ро­вать — увеличивать значение на единицу — с частотой 32768 Гц, он будет переполняться еже­се­кун­д­но, что позволит ре­а­ли­зо­вать схему системных часов на типовой логике без особых конструктивных слож­но­с­тей.

Рис 1. Блок-схема кварцевых часов

Тактирование процессора

Еще один пример хрестоматийной частоты, используемой в персональном компьютере — 4,77 МГц. Про­из­во­ди­тель­ность первых процессоров x86 архитектуры ограничивается именно этим параметром. Его значение фор­ми­ру­ет­ся из частоты кварцевого резонатора 14.31818 МГц, которая делится на 3 тактовым генератором процессора и на 4 для получения сигнала цветности 3.58 МГц, необходимого для цветного телевидения. Другими словами, не­слож­ны­ми операциями мы получаем из опорной частоты не только тактирование процессора, но 4/3 под­не­су­щей частоты сиг­на­ла NTSC для формирования изображения на экране дисплея. Хотя даже во времена, когда ком­пью­тер­ные дис­п­леи использовали телевизионные частоты, большинство реализаций видео адаптеров снаб­жа­лись соб­ствен­ны­ми квар­це­вы­ми резонаторами.

Рис 2. Кварцевые резонаторы ("часовой" и опорной частоты) на современной платформе ASUS M2N-MX

При тактовой частоте 4.77 МГц длительность цикла обмена по системной шине 8088 составляет четыре такта по 210 нсек или 840 нсек. Медленные периферийные устройства требуют увеличения длительности цикла обмена, как правило до пяти тактов по 210 нсек, что составляет 1.05 мксек.

Кварцевый резонатор — основа тактирования

Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственно выращенный монокристалл кварца. В силу того, что он обладает анизотропными свойствами, параметры резонатора зависят от плоскости приложения электрического поля относительно ориентации его кристаллографических осей. Благодаря ис­поль­зо­ва­нию различных направлений среза удается добиться нужных, часто весьма противоречивых и мно­го­чис­лен­ных тре­бо­ва­ний, предъявляемых к характеристика кварцевых резонаторов.

Рис 3. Виды колебаний кварцевых элементов: а) сжание/растяжение, б) изгиб, в) кручение по вертикали,
г) кручение по горизонтали, д )сдвиг по контуру, е) сдвиг по толщине

Кристалл кварца демонстрирует как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что под воздействием механической силы на поверхностях кристалла появляется элек­три­че­ский заряд, пропорциональный приложенной силе. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что при­ло­жен­ное к поверхности электрическое напряжение приводит к изменению формы и размера пластины. Возможные виды ме­ха­ни­че­ских колебаний кварцевых элементов представлены на Рис. 3. Чаще всего используют колебания сжатия — растяжения, изгиба, кручения, сдвига по контуру и по толщине. Эти колебания возможны как на основной ре­зо­нан­с­ной частоте кварца, определяемой его геометрическими размерами и видом среза, так и на различных гар­мо­ни­ках, крат­ных этой частоте.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект используются в кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эта­лона частоты. Кварцевый резонатор представляет собой очень тонкую кварцевую пластину, кон­так­ти­ру­ю­щую с дву­мя ме­тал­ли­зи­ро­ван­ными поверхностями. Физический размер и толщина фрагмента квар­це­во­го кри­с­тал­ла влияет на параметр его колебаний, который называется «характеристической частотой» квар­ца. Дру­ги­ми сло­ва­ми, его размер и форма определяют основную частоту колебаний — характеристическая частота об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на толщине кристалла.

Рис 4. Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Механические колебания кристалла могут быть представлены электрической схемой, эквивалентной по­сле­до­ва­тель­но­му ко­ле­ба­тель­ному контуру, состоящему из низкоомного резистора (R), катушки индуктивности (L) и конденсатора малой емкости (C_s). Конденсатор C_p моделирует паразитную емкость кварцедержателя и монтажа.

«Если быть предельно точным»

Необходимым, но недостаточным условием работоспособности цифровых схем является наличие питающих на­пря­же­ний и тактовых электрических импульсов, задающих порядок выполнения компьютером элементарных опе­ра­ций. Узлы и контроллеры персональной платформы взаимодействуют между собой в рамках, строго заданных тактированием.

Рис 5. Кварцевый резонатор 14.31818 МГц на современной системной плате формирует опорную частоту для генератора тактовых импульсов

Этот процесс делегирован тактовому генератору — специальной микросхеме, которая опираясь на стабильные па­ра­мет­ры кварцевого резонатора формирует сетку частот, обеспечивающих функционирование центрального про­цес­со­ра, оперативной памяти и контроллеров ввода/вывода. Ее часто называют синтезатором частот или ге­не­ра­то­ром так­то­вых импульсов.

Рис 6. Генерируя стабильные импульсы, кварцевый резонатор вырабатывает опорную частоту, из которой тактовый генератор формирует сетку частот, обеспечивающих функционирование компьютера

Так, например, делением частоты 14.31818 МГц на 12, вырабатывается сигнал тактирования системного таймера, равный 1.193 МГц, который, в свою очередь, делит эту частоту на 65536 = 2 16 . В результате вырабатывается час­то­та для генерации временны́х меток DOS Ticks (в переводной литературе — тики системного таймера). Эта частота, равная 18.2 Гц, используется для периодических прерываний от системного таймера.