إشارة الساعة
في الإلكترونيات ، وخاصةً الدوائر الرقمية المتزامنة ، تُعد إشارة الساعة (المعروفة تاريخيًا أيضًا باسم نبضة المنطق ) [ 1 ] إشارة منطقية إلكترونية ( جهد أو تيار ) تتذبذب بين حالتين، عالية ومنخفضة، بتردد ثابت ، وتُستخدم كإيقاع لمزامنة عمل الدوائر الرقمية . في دائرة المنطق المتزامنة ، وهي النوع الأكثر شيوعًا من الدوائر الرقمية، تُطبق إشارة الساعة على جميع أجهزة التخزين، والقلابات، والمثبتات، مما يؤدي إلى تغيير حالتها جميعًا في وقت واحد، وبالتالي منع حدوث حالات التنافس .
تُنتج إشارة الساعة بواسطة مذبذب إلكتروني يُسمى مولد الساعة . وتكون إشارة الساعة الأكثر شيوعًا على شكل موجة مربعة بنسبة تشغيل 50% . قد تُفعّل الدوائر التي تستخدم إشارة الساعة للمزامنة عند الحافة الصاعدة أو الحافة الهابطة، أو في حالة معدل البيانات المزدوج ، عند كلتا الحافتين الصاعدة والهابطة لدورة الساعة.
الدوائر الرقمية
تستخدم معظم الدوائر المتكاملة ذات التعقيد الكافي إشارة ساعة لمزامنة أجزائها المختلفة، حيث تعمل هذه الإشارة بمعدل أبطأ من أسوأ حالات تأخير الانتشار الداخلي . في بعض الحالات، يتطلب الأمر أكثر من دورة ساعة واحدة لتنفيذ إجراء متوقع. ومع ازدياد تعقيد الدوائر المتكاملة، تزداد صعوبة توفير ساعات دقيقة ومتزامنة لجميع الدوائر. يُعد المعالج الدقيق ، المكون المركزي لأجهزة الكمبيوتر الحديثة، المثال الأبرز على هذه الرقائق المعقدة، إذ يعتمد على ساعة من مذبذب بلوري . الاستثناء الوحيد هو الدوائر غير المتزامنة، مثل وحدات المعالجة المركزية غير المتزامنة .
قد يتم أيضًا دمج إشارة الساعة مع إشارة تحكم تُفعّل أو تُعطّل إشارة الساعة لجزء معين من الدائرة. تُستخدم هذه التقنية غالبًا لتوفير الطاقة عن طريق إيقاف تشغيل أجزاء من الدائرة الرقمية عند عدم استخدامها، ولكنها تُؤدي إلى زيادة تعقيد تحليل التوقيت.
ساعة أحادية الطور
تستخدم معظم الدوائر المتزامنة الحديثة "ساعة أحادية الطور" فقط - بمعنى آخر، يتم إرسال جميع إشارات الساعة (فعليًا) على سلك واحد.
ساعة ثنائية الطور
في الدوائر المتزامنة ، يُشير مصطلح "ساعة ثنائية الطور" إلى إشارات الساعة الموزعة على سلكين، كل منهما بنبضات غير متداخلة. يُطلق على أحد السلكين تقليديًا اسم الطور 1 أو φ1 ( فاي 1)، بينما يحمل السلك الآخر إشارة "الطور 2" أو "φ2". [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ولأن الطورين مضمونان بعدم التداخل، يُمكن استخدام بوابات التثبيت بدلاً من قلابات الحافة لتخزين معلومات الحالة، طالما أن مدخلات بوابات التثبيت في أحد الطورين تعتمد فقط على مخرجات بوابات التثبيت في الطور الآخر. ولأن بوابة التثبيت تستخدم أربع بوابات فقط مقابل ست بوابات لقلاب الحافة، فإن الساعة ثنائية الطور تُتيح تصميمًا بعدد بوابات إجمالي أقل، ولكن عادةً ما يكون ذلك على حساب صعوبة التصميم والأداء.
استخدمت الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS) إشارات ساعة مزدوجة (ساعة ثنائية الطور) في سبعينيات القرن الماضي. وكانت هذه الإشارات تُولّد خارجيًا لكل من معالجات موتورولا 6800 وإنتل 8080. [ 6 ] أما الجيل التالي من المعالجات فقد دمج توليد الساعة على الشريحة. يستخدم معالج 8080 ساعة بتردد 2 ميجاهرتز، لكن معدل نقل البيانات فيه مشابه لمعالج 6800 الذي يعمل بتردد 1 ميجاهرتز. ويتطلب معالج 8080 دورات ساعة أكثر لتنفيذ تعليمات المعالجة. ونظرًا لمنطقها الديناميكي ، يبلغ الحد الأدنى لتردد الساعة في معالج 6800 100 كيلوهرتز، بينما يبلغ الحد الأدنى في معالج 8080 500 كيلوهرتز. وقد صدرت نسخ ذات سرعة أعلى من كلا المعالجين بحلول عام 1976. [ 7 ]
يتطلب المعالج 6501 مولد ساعة ثنائي الطور خارجي. أما المعالج 6502 من شركة MOS Technology فيستخدم نفس منطق ثنائي الطور داخليًا، ولكنه يتضمن أيضًا مولد ساعة ثنائي الطور مدمجًا، لذا فهو يحتاج فقط إلى مدخل ساعة أحادي الطور، مما يبسط تصميم النظام.
ساعة رباعية المراحل
تستخدم بعض الدوائر المتكاملة المبكرة منطقًا رباعي الأطوار ، مما يتطلب مدخل ساعة رباعي الأطوار يتكون من أربع إشارات ساعة منفصلة وغير متداخلة. [ 8 ] كان هذا شائعًا بشكل خاص بين المعالجات الدقيقة المبكرة مثل National Semiconductor IMP-16 و Texas Instruments TMS9900 ومجموعة شرائح Western Digital MCP-1600 المستخدمة في DEC LSI-11 .
نادرًا ما استُخدمت إشارات الساعة رباعية الأطوار في معالجات CMOS الحديثة، مثل معالج DEC WRL MultiTitan الدقيق [ 9 ] ، وفي تقنية Fast14 من Intrinsity . تستخدم معظم المعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة الحديثة إشارة ساعة أحادية الطور.
مضاعف الساعة
تستخدم العديد من الحواسيب الصغيرة الحديثة " مضاعف تردد الساعة " الذي يضاعف تردد ساعة خارجية منخفضة إلى تردد الساعة المناسب للمعالج الدقيق. وهذا يسمح لوحدة المعالجة المركزية بالعمل بتردد أعلى بكثير من باقي مكونات الحاسوب، مما يوفر تحسينات في الأداء في الحالات التي لا تحتاج فيها وحدة المعالجة المركزية إلى انتظار عامل خارجي (مثل الذاكرة أو الإدخال/الإخراج ).
تغيير التردد الديناميكي
لا تتطلب الغالبية العظمى من الأجهزة الرقمية ساعة بتردد ثابت. فما دام الحد الأدنى والحد الأقصى لفترات الساعة مُراعى، يمكن أن يختلف الوقت بين نبضات الساعة اختلافًا كبيرًا من نبضة إلى أخرى وبالعكس. وتعمل هذه الأجهزة الرقمية بكفاءة عالية مع مولدات الساعة التي تُغير ترددها ديناميكيًا، مثل توليد الساعة بتقنية الطيف المنتشر ، أو تغيير التردد الديناميكي ، وما إلى ذلك. أما الأجهزة التي تستخدم منطقًا ثابتًا، فلا يوجد لها حد أقصى لفترة الساعة (أو بعبارة أخرى، حد أدنى لتردد الساعة)؛ إذ يمكن إبطاء هذه الأجهزة وإيقافها مؤقتًا إلى أجل غير مسمى، ثم استئنافها بكامل سرعة الساعة في أي وقت لاحق.
دوائر أخرى
تستخدم بعض الدوائر الحساسة ذات الإشارات المختلطة ، مثل محولات التناظرية إلى الرقمية الدقيقة، موجات جيبية بدلاً من الموجات المربعة كإشارات توقيت، لأن الموجات المربعة تحتوي على توافقيات عالية التردد قد تتداخل مع الدوائر التناظرية وتسبب تشويشًا . غالبًا ما تكون إشارات التوقيت هذه من نوع الموجات الجيبية تفاضلية ، لأن هذا النوع من الإشارات يتميز بمعدل تغير مضاعف ، وبالتالي نصف عدم اليقين الزمني، مقارنةً بإشارة أحادية الطرف لها نفس نطاق الجهد. تشع الإشارات التفاضلية بشكل أقل قوة من خط أحادي. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام خط أحادي محمي بخطوط الطاقة والأرضي.
في دوائر CMOS، تُشحن وتُفرغ سعات البوابات باستمرار. لا يُبدد المكثف الطاقة، ولكن تُهدر الطاقة في ترانزستورات التشغيل. في الحوسبة العكسية ، يمكن استخدام المحاثات لتخزين هذه الطاقة وتقليل فقدها، ولكنها عادةً ما تكون كبيرة الحجم. بدلاً من ذلك، يمكن تقليل متطلبات الطاقة باستخدام ساعة موجة جيبية، وبوابات نقل CMOS ، وتقنيات توفير الطاقة.
توزيع
إنّ الطريقة الأكثر فعالية لإيصال إشارة الساعة إلى كل جزء من الشريحة يحتاجها، بأقل انحراف ، هي استخدام شبكة معدنية. في المعالجات الدقيقة الكبيرة، قد تتجاوز الطاقة المستخدمة لتشغيل إشارة الساعة 30% من إجمالي الطاقة التي تستهلكها الشريحة بأكملها. يجب تحميل وتفريغ البنية بأكملها، بما في ذلك البوابات في الأطراف وجميع المضخمات بينها، في كل دورة. [ 10 ] [ 11 ] ولتوفير الطاقة، تعمل بوابات الساعة على إيقاف جزء من الشبكة مؤقتًا.
تقوم شبكة توزيع الساعة (أو شجرة الساعة ، عندما تشكل هذه الشبكة شكل شجرة مثل شجرة H ) بتوزيع إشارة (أو إشارات) الساعة من نقطة مركزية إلى جميع العناصر التي تحتاجها. ولأن هذه الوظيفة حيوية لتشغيل النظام المتزامن، فقد أُولي اهتمام كبير لخصائص إشارات الساعة هذه والشبكات الكهربائية المستخدمة في توزيعها. غالبًا ما تُعتبر إشارات الساعة إشارات تحكم بسيطة؛ إلا أنها تتميز بخصائص وسمات خاصة جدًا.
تُحمّل إشارات الساعة عادةً بأكبر عدد من الإشارات وتعمل بأعلى سرعات بين جميع الإشارات في النظام المتزامن. ولأن إشارات الساعة توفر مرجعًا زمنيًا لإشارات البيانات، يجب أن تكون أشكال موجات الساعة نقية ودقيقة للغاية. علاوة على ذلك، تتأثر إشارات الساعة هذه بشكل خاص بتطور التكنولوجيا (انظر قانون مور )، حيث تصبح خطوط التوصيل العالمية الطويلة أكثر مقاومة بشكل ملحوظ مع انخفاض أبعادها. وتُعد هذه المقاومة المتزايدة أحد الأسباب الرئيسية لأهمية توزيع إشارات الساعة المتزايدة في الأداء المتزامن. أخيرًا، يمكن للتحكم في أي اختلافات أو عدم يقين في أوقات وصول إشارات الساعة أن يحدّ بشدة من الأداء الأقصى للنظام بأكمله، ويخلق ظروفًا متضاربة قد تؤدي إلى تثبيت إشارة بيانات خاطئة داخل سجل.
تتألف معظم الأنظمة الرقمية المتزامنة من مجموعات متتالية من المسجلات التسلسلية، مع وجود دوائر منطقية توافقية بين كل مجموعة من المسجلات. وتُلبى المتطلبات الوظيفية للنظام الرقمي من خلال المراحل المنطقية. تُضيف كل مرحلة منطقية تأخيرًا يؤثر على أداء التوقيت، ويمكن تقييم أداء التوقيت للتصميم الرقمي نسبةً إلى متطلبات التوقيت من خلال تحليل التوقيت. غالبًا ما يتطلب الأمر مراعاة اعتبارات خاصة لتلبية متطلبات التوقيت. على سبيل المثال، يمكن تلبية متطلبات الأداء العام ومتطلبات التوقيت المحلية من خلال إدخال مسجلات خط الأنابيب بعناية في نوافذ زمنية متساوية التباعد لتلبية قيود التوقيت الحرجة في أسوأ الحالات . يساعد التصميم السليم لشبكة توزيع الساعة على ضمان تلبية متطلبات التوقيت الحرجة وعدم وجود أي حالات تضارب (انظر أيضًا انحراف الساعة ).
تتكون مكونات التأخير التي تشكل نظامًا متزامنًا عامًا من ثلاثة أنظمة فرعية فردية: عناصر تخزين الذاكرة، وعناصر المنطق، ودائرة التوقيت وشبكة التوزيع.
يجري حاليًا تطوير هياكل جديدة للتخفيف من هذه المشكلات وتقديم حلول فعّالة. تشمل مجالات البحث المهمة تقنيات التوقيت الرنيني ("شبكة التوقيت الرنيني")، [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] والوصلات البصرية على الشريحة، ومنهجيات التزامن المحلي .
انظر أيضاً
- التشغيل المتزامن مع البتات – الاتصال الرقمي باستخدام تدفق بتات متزامن مع الساعة
- تقاطع نطاقات الساعة – التقاطع في التصميم الإلكتروني الرقمي
- معدل الساعة - التردد الذي تعمل به شريحة أو نواة وحدة المعالجة المركزية
- مخطط سير العمل (EDA) - مجموعة من أدوات التصميم الإلكتروني. صفحات تعرض وصفًا موجزًا لأهداف إعادة التوجيه.
- أتمتة التصميم الإلكتروني – برامج لتصميم الأنظمة الإلكترونية
- منطق رباعي المراحل
- تصميم الدوائر المتكاملة - عملية هندسية للأجهزة الإلكترونية
- نموذج منطق الواجهة
- الارتعاش – انحراف الساعة عن التزامن المثالي
- إشارة نبضية في الثانية - فئة من الإشارات الكهربائية
- رمز الوقت – رموز رقمية يتم إنشاؤها على فترات منتظمة
- إشارة التوقيت الذاتي – إشارة يمكن فك تشفيرها دون الحاجة إلى مصدر خارجي للتزامن
مراجع
- ↑ حاسوب الدائرة المتكاملة FM1600B من شركة فيرانتي للأنظمة الرقمية (ملف PDF) . براكنيل، بيركشاير، المملكة المتحدة: شركة فيرانتي المحدودة ، قسم الأنظمة الرقمية. أكتوبر 1968 [سبتمبر 1968]. القائمة DSD 68/6. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 19 مايو 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 مايو 2020 .
- ↑ ساعة ثنائية الطور. مؤرشفة في 9 نوفمبر 2007، على موقع Wayback Machine.
- ↑ مولد إشارة ساعة ثنائي الطور غير متداخل ، Tams-www.informatik.uni-hamburg.de، مؤرشف من الأصل بتاريخ 26-12-2011 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 08-01-2012
- ↑ مفاهيم في التصوير الرقمي - توقيت CCD ثنائي الطور ، Micro.magnet.fsu.edu ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2012-01-08
- ↑ الخلية cgf104: مولد ساعة ثنائي الطور غير متداخل ، Hpc.msstate.edu، مؤرشف من الأصل بتاريخ 2012-02-08 ، تم استرجاعه بتاريخ 2012-01-08
- ↑ "كيفية تشغيل المعالج الدقيق" . الإلكترونيات . 49 (8). نيويورك: ماكجرو هيل: 159. 15 أبريل 1976.باعت إدارة منتجات المكونات في موتورولا دوائر متكاملة هجينة تتضمن مذبذب كوارتز. أنتجت هذه الدوائر المتكاملة موجات ثنائية الطور غير متداخلة، وهي الموجات التي احتاجتها معالجات 6800 و8080. لاحقًا، أنتجت إنتل مولد الساعة 8224، وأنتجت موتورولا مولد الساعة MC6875. يحتوي معالجا إنتل 8085 وموتورولا 6802 على هذه الدوائر على شريحة المعالج الدقيق.
- ↑ "معالج إنتل 8080 فائق السرعة" (ملف PDF) . مجلة مايكروكومبيوتر دايجست . 2 (3). كوبرتينو، كاليفورنيا: شركة مايكروكومبيوتر أسوشيتس: 7 سبتمبر 1975. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 23 يناير 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يناير 2011 .
- ↑ مفاهيم في التصوير الرقمي - توقيت CCD رباعي المراحل ، Micro.magnet.fsu.edu ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2012-01-08
- ↑ جوبي، ن.ب .؛ تانغ، ج.ف. (1989). "معالج دقيق CMOS مستدام 32 بت بسرعة 20 مليون تعليمات في الثانية مع نسبة عالية من الأداء المستدام إلى الأداء الأقصى". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 24 (5): 1348-1359 . Bibcode : 1989IJSSC..24.1348J . doi : 10.1109/JSSC.1989.572612 .
- ↑ أناند لال شيمبي (2008)، بنية أتوم من إنتل: بداية الرحلة ، مؤرشف من الأصل في 16 يناير 2010
- ↑ بول ف. بولوتوف (2007)، ألفا: التاريخ بالحقائق والتعليقات ، مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 فبراير 2012 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 يناير 2012 ،
بلغت الطاقة المستهلكة من قبل النظام الفرعي للساعة في معالج EV6 حوالي 32% من إجمالي طاقة النواة. وللمقارنة، بلغت هذه النسبة حوالي 25% لمعالج EV56، وحوالي 37% لمعالج EV5، وحوالي 40% لمعالج EV4.
- ↑ تشان، إس سي؛ شيبارد، كيه إل؛ ريستل، بي جيه (2005). "توزيعات الساعة العالمية ذات الحمل الرنيني أحادي الطور والسعة". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 40 (1): 102. Bibcode : 2005IJSSC..40..102C . doi : 10.1109/JSSC.2004.838005 . S2CID 16239014 .
- ↑ ديفيد شان وآخرون. "شبكة الساعة الرنانة الضخمة لجهاز IBM z13" . 2015.
- ^ وولونغ ليو؛ قوه تشين؛ يو وانغ؛ هواتشونغ يانغ. "" نمذجة وتحسين شبكة الساعة الرنانة منخفضة الطاقة "" . 2015.
- ↑ "توليف شجرة الساعة" .
للمزيد من القراءة
- إيبي ج. فريدمان (محرر)، شبكات توزيع الساعة في دوائر وأنظمة VLSI ، رقم ISBN 0-7803-1058-6، مطبعة IEEE. 1995.
- إيبي ج. فريدمان ، "شبكات توزيع الساعة في الدوائر المتكاملة الرقمية المتزامنة"، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ، المجلد 89، العدد 5، الصفحات 665-692، مايو 2001. doi : 10.1109/5.929649
- "مسابقة توليف شبكة الساعة عالية الأداء ISPD 2010" ، الندوة الدولية للتصميم الفيزيائي، إنتل، آي بي إم، 2010.
- D.-J. Lee, "توليف شبكة الساعة عالية الأداء ومنخفضة الطاقة في وجود التباين" ، أطروحة دكتوراه، جامعة ميشيغان، 2011.
- IL Markov , D.-J. Lee, "Algorithmic Tuning of Clock Trees and Directed Non-Tree Structures" , in Proc. Int'l. Conf. Comp.-Aided Design (ICCAD), 2011.
- VG Oklobdzija، VM Stojanovic، DM Markovic، وNM Nedovic، توقيت النظام الرقمي: جوانب الأداء العالي واستهلاك الطاقة المنخفض ، ISBN 0-471-27447-X، IEEE Press/Wiley-Interscience، 2003.
- ميتش ديل، "قوة بوابة الساعة RTL" ، هندسة تصميم الأنظمة الإلكترونية التي تتضمن تصميم الرقائق ، 20 يناير 2007.
مقتبس من مقال إيبي فريدمان المنشور في النشرة الإلكترونية لجمعية ACM SIGDA بتاريخ 12 أغسطس 2014 على موقع Wayback Machine ، بقلم إيغور ماركوف. النص الأصلي متاح على الرابط التالي: https://web.archive.org/web/20100711135550/http://www.sigda.org/newsletter/2005/eNews_051201.html
- إشارة الساعة
- التزامن