In der Elektronik und insbesondere in synchronen digitalen Schaltkreisen ist ein -Taktsignal eine bestimmte Art von Signal, das zwischen einem hohen und einem niedrigen Zustand und oszilliert wird wie ein Metronom verwendet, um die Aktionen digitaler Schaltungen zu koordinieren. Ein Taktsignal wird von einem Taktgenerator erzeugt. Obwohl komplexere Anordnungen verwendet werden, liegt das häufigste Taktsignal in Form einer Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% vor, üblicherweise mit einer festen, konstanten Frequenz. Schaltungen, die das Taktsignal zur Synchronisation verwenden, können entweder bei der steigenden Flanke, der fallenden Flanke oder bei doppelter Datenrate sowohl in der steigenden als auch in der fallenden Flanke des Taktzyklus aktiv werden.
Digitale Schaltungen [ edit ]
Die meisten integrierten Schaltungen (ICs) mit ausreichender Komplexität verwenden ein Taktsignal, um verschiedene Teile der Schaltung zu synchronisieren, wobei die Taktfrequenz langsamer als die des Taktgebers ist im schlimmsten Fall interne Ausbreitungsverzögerungen. In einigen Fällen ist mehr als ein Taktzyklus erforderlich, um eine vorhersagbare Aktion auszuführen. Mit zunehmender Komplexität der ICs wird das Problem der Versorgung aller Schaltungen mit genauen und synchronisierten Takten zunehmend schwieriger. Das herausragende Beispiel für solche komplexen Chips ist der Mikroprozessor, die zentrale Komponente moderner Computer, die auf einer Uhr eines Quarzoszillators beruht. Die einzigen Ausnahmen sind asynchrone Schaltungen wie asynchrone CPUs.
Es kann auch ein Taktsignal angesteuert werden, das heißt, mit einem Steuersignal kombiniert werden, das das Taktsignal für einen bestimmten Teil einer Schaltung aktiviert oder deaktiviert. Diese Technik wird häufig verwendet, um Energie zu sparen, indem Teile einer digitalen Schaltung, wenn sie nicht verwendet werden, effektiv heruntergefahren werden, jedoch mit einer erhöhten Komplexität bei der Timing-Analyse.
Einphasentakt [ edit ]
Die meisten modernen synchronen Schaltungen verwenden nur einen "Einphasentakt", dh alle Taktsignale werden (effektiv) auf einer Leitung übertragen .
Zweiphasentakt [ edit ]
In synchronen Schaltkreisen bezieht sich "Zweiphasentakt" auf Taktsignale, die auf zwei Drähten mit jeweils nicht überlappenden Impulsen verteilt sind. Traditionell wird eine Ader als "Phase 1" oder "φ1" bezeichnet, die andere Ader führt das Signal "Phase 2" oder "φ2". [1][2][3][4] Da die beiden Phasen nicht überlappende, gattergesteuerte Latches und kein flankengetriggertes Flip-Flop gewährleisten -flops können verwendet werden, um Zustandsinformationen zu speichern, solange die Eingänge für die Zwischenspeicher in einer Phase nur von den Ausgängen von Zwischenspeichern in der anderen Phase abhängen. Da ein Gate-Latch nur vier Gates im Vergleich zu sechs Gates für ein flankengetriggertes Flip-Flop verwendet, kann ein Zweiphasentakt zu einem Design mit einer geringeren Gesamt-Gate-Anzahl führen, was jedoch normalerweise einen gewissen Nachteil hinsichtlich Design-Schwierigkeit und Leistung darstellt.
MOS-ICs verwendeten in den 70er Jahren typischerweise Doppeltaktsignale (einen Zweiphasentakt). Diese wurden extern für die Mikroprozessoren 6800 und 8080 generiert. [5] Die nächste Generation von Mikroprozessoren enthielt die Taktgenerierung auf dem Chip. Der 8080 verwendet einen 2-MHz-Takt, aber der Verarbeitungsdurchsatz ähnelt dem 1-MHz-6800. Der 8080 benötigt mehr Taktzyklen, um eine Prozessoranweisung auszuführen. Der 6800 hat eine minimale Taktrate von 100 kHz, während der 8080 angehalten werden kann. 1976 wurden Versionen der beiden Mikroprozessoren mit höherer Geschwindigkeit veröffentlicht. [6]
Der 6501 erfordert einen externen 2-Phasen-Taktgenerator. Die MOS-Technologie 6502 verwendet intern dieselbe 2-Phasen-Logik, enthält jedoch auch einen chipinternen Zwei-Phasen-Taktgenerator, sodass nur ein einziger Phasentakteingang erforderlich ist, was das Systemdesign vereinfacht.
4-Phasen-Takt [ edit ]
Ein "4-Phasen-Takt" hat Taktsignale, die auf 4 Drähten verteilt sind (Vierphasen-Logik). [7] [7]
In einigen frühen Mikroprozessoren wie der IMP-16-Familie von National Semiconductor wurde ein mehrphasiger Taktgeber verwendet. Im Fall des IMP-16 hatte der Taktgeber vier Phasen, die jeweils um 90 Grad voneinander entfernt waren, um die Operationen des Prozessorkerns und seiner Peripheriegeräte zu synchronisieren.
Der DEC WRL MultiTitan-Mikroprozessor verwendet ein Vierphasen-Taktschema. [8]
Einige ICs verwenden Vierphasen-Logik.
Die Fast14-Technologie von Intrinsity verwendet einen mehrphasigen Takt.
Die meisten modernen Mikroprozessoren und Mikrocontroller verwenden jedoch einen einphasigen Takt.
Taktvervielfacher [ edit ]
Viele moderne Mikrocomputer verwenden einen "Taktvervielfacher", der einen externen Takt mit niedrigerer Frequenz mit der entsprechenden Taktrate des Mikroprozessors multipliziert. Dies ermöglicht es der CPU, mit einer viel höheren Frequenz als der Rest des Computers zu arbeiten, was zu Leistungssteigerungen in Situationen führt, in denen die CPU nicht auf einen externen Faktor warten muss (wie Speicher oder Eingabe / Ausgabe).
Dynamische Frequenzänderung [ edit ]
Die große Mehrheit der digitalen Geräte erfordert keinen Takt bei einer festen, konstanten Frequenz. Solange die minimalen und maximalen Taktzeiten eingehalten werden, kann die Zeit zwischen den Taktflanken von einer Flanke zur nächsten und wieder stark variieren. Solche digitalen Geräte funktionieren genauso gut mit einem Taktgenerator, der seine Frequenz dynamisch ändert, wie beispielsweise Spreizspektrum-Takterzeugung, dynamische Frequenzskalierung, PowerNow!, Cool'n'Quiet, SpeedStep usw. Geräte, die statische Logik verwenden, haben nicht einmal eine maximale Taktperiode. Solche Geräte können auf unbestimmte Zeit verlangsamt und angehalten und dann zu einem späteren Zeitpunkt mit voller Taktrate wieder aufgenommen werden.
Andere Schaltungen [ edit ]
Einige empfindliche Mixed-Signal-Schaltungen, wie z. B. Präzisions-Analog-Digital-Wandler, verwenden Sinuswellen anstelle von Rechteckwellen als Taktsignalen Rechteckwellen enthalten hochfrequente Oberwellen, die die analogen Schaltungen stören und Rauschen verursachen können. Solche Sinustakttakte sind häufig differentielle Signale, da dieser Signaltyp die doppelte Anstiegsgeschwindigkeit und damit die halbe Taktungsunsicherheit eines eintaktigen Signals mit demselben Spannungsbereich aufweist. Differenzsignale strahlen weniger stark aus als eine einzelne Leitung. Alternativ kann eine einzelne Leitung verwendet werden, die durch Strom- und Masseleitungen abgeschirmt ist.
In CMOS-Schaltungen werden Gate-Kapazitäten kontinuierlich geladen und entladen. Ein Kondensator verbraucht keine Energie, aber es wird Energie in den Ansteuertransistoren verschwendet. Bei der reversiblen Berechnung können Induktoren verwendet werden, um diese Energie zu speichern und den Energieverlust zu reduzieren, aber sie sind tendenziell ziemlich groß. Alternativ können unter Verwendung einer Sinuswelle, CMOS-Transmission-Gates und Energiespartechniken die Leistungsanforderungen reduziert werden. [ Zitat benötigt ]
Verteilung [ edit ]
Der effektivste Weg, um das Taktsignal zu jedem Teil eines Chips zu bekommen, der es benötigt, mit der geringsten Schräglage, ist ein Metallgitter. In einem großen Mikroprozessor kann die zum Treiben des Taktsignals verwendete Leistung über 30% der Gesamtleistung des gesamten Chips betragen. Die gesamte Struktur mit den Gates an den Enden und allen Verstärkern dazwischen muss in jedem Zyklus geladen und entladen werden. [9][10] Um Energie zu sparen, wird durch die Taktsteuerung ein Teil des Baums vorübergehend ausgeschaltet.
Das Uhrenverteilungsnetzwerk (oder wenn dieses Netzwerk einen Baum bildet) verteilt das Taktsignal bzw. die Taktsignale von einem gemeinsamen Punkt an alle Elemente, die es benötigen. Da diese Funktion für den Betrieb eines Synchronsystems von entscheidender Bedeutung ist, wurde den Eigenschaften dieser Taktsignale und den bei ihrer Verteilung verwendeten elektrischen Netzwerken viel Aufmerksamkeit gewidmet. Taktsignale werden oft als einfache Steuersignale betrachtet. Diese Signale haben jedoch einige sehr spezielle Eigenschaften und Eigenschaften.
Taktsignale werden normalerweise mit dem größten Fanout-Wert geladen und arbeiten mit der höchsten Geschwindigkeit eines Signals im synchronen System. Da die Datensignale durch die Taktsignale mit einem zeitlichen Bezug versehen werden, müssen die Taktwellenformen besonders sauber und scharf sein. Darüber hinaus sind diese Taktsignale besonders von der Skalierung der Technologie betroffen (siehe Moore-Gesetz), da lange globale Verbindungsleitungen mit abnehmenden Leitungsabmessungen deutlich widerstandsfähiger werden. Dieser erhöhte Leitungswiderstand ist einer der Hauptgründe für die zunehmende Bedeutung der Taktverteilung bei synchroner Leistung. Schließlich die Kontrolle eventueller Differenzen und Unsicherheiten bei den Ankunftszeiten Die Taktsignale können die maximale Leistung des gesamten Systems stark einschränken und katastrophale Race-Bedingungen erzeugen, bei denen ein falsches Datensignal in einem Register zwischengespeichert wird.
Die meisten synchronen digitalen Systeme bestehen aus kaskadierten Bänken sequentieller Register mit kombinatorischer Logik zwischen jedem Registersatz. Die funktionalen Anforderungen des digitalen Systems werden von den Logikstufen erfüllt. Jede Logikstufe führt eine Verzögerung ein, die die Zeitsteuerungsleistung beeinflusst, und die Zeitsteuerungsleistung des digitalen Entwurfs kann relativ zu den Zeitsteuerungsanforderungen durch eine Zeitsteuerungsanalyse bewertet werden. Häufig muss besonders auf die zeitlichen Anforderungen geachtet werden. Zum Beispiel können die Anforderungen an die globale Leistung und das lokale Timing erfüllt werden das sorgfältige Einfügen von Pipeline-Registern in gleich beabstandete Zeitfenster, um kritische Worst-Case-Zeitbeschränkungen zu erfüllen. Durch das richtige Design des Uhrenverteilungsnetzes wird sichergestellt, dass die kritischen Zeitvorgaben erfüllt werden und keine Wettlaufbedingungen bestehen (siehe auch Taktversatz). Die Verzögerungskomponenten, die ein allgemeines synchrones System bilden, setzen sich aus den folgenden drei individuellen Untersystemen zusammen: den Speicherelementen, den Logikelementen und der Taktschaltung und dem Verteilungsnetz.
Derzeit werden neue Strukturen entwickelt, um diese Probleme zu verbessern und effektive Lösungen zu bieten. Wichtige Forschungsbereiche umfassen resonante Taktungstechniken, optische Verbindungen auf dem Chip und lokale Synchronisationsmethoden.
Siehe auch [ edit ]
Referenzen [ edit
- ^ Zwei-Phasen-Uhr Archiviert am 9. November 2007, at the Wayback Machine
- ^ Zweiphasiger, nicht überlappender Taktgenerator Tams-www.informatik.uni-hamburg.de abgerufen 2012- 01-08
- ^ Konzepte in der digitalen Bildgebung - Zweiphasiges CCD-Takten Micro.magnet.fsu.edu abgerufen 2012-01-08 [19659057] ^ Zelle cgf104: Zweiphasiger, nicht überlappender Taktgenerator Hpc.msstate.edu, archiviert vom Original am 2012-02-08 abgerufen 2012-01-08
- ^ "So fahren Sie einen Mikroprozessor". Electronics . New York: McGraw-Hill. 49 (8): 159. 15. April 1976. Die Component Products-Abteilung von Motorola verkaufte Hybrid-ICs, die einen Quarzoszillator enthielten. Diese ICs erzeugten die zweiphasigen, nicht überlappenden Wellenformen, die für 6800 und 8080 erforderlich waren. Später produzierte Intel den 8224-Taktgenerator und Motorola den MC6875. Der Intel 8085 und das Motorola 6802 enthalten diese Schaltung auf dem Mikroprozessorchip.
- ^ "Intels höhere Geschwindigkeit 8080 uP" (PDF) . Microcomputer Digest . Cupertino CA: Microcomputer Associates. 2 (3): 7. September 1975.
- ^ Konzepte in der digitalen Bildgebung - Vierphasen-CCD-Taktung Micro.magnet.fsu.edu abgerufen 2012-01-08
- ^ Norman P. Jouppi und Jeffrey Y. F. Tang. "Ein nachhaltiger 20-MIPS-32-Bit-CMOS-Mikroprozessor mit einem hohen Verhältnis von anhaltender Leistung zu Spitzenleistung". 1989. CiteSeer x : 10.1.1.85.988 p. 10.
- ^ Anand Lal Shimpi (2008), Intels Atomarchitektur: Die Reise beginnt
- ^ Paul V. Bolotoff (2007), Alpha: Die Geschichte in Fakten und Kommentaren
betrug die durch das Uhrensubsystem von EV6 verbrauchte Energie etwa 32% der gesamten Kernleistung. Zum Vergleich waren es für EV56 etwa 25%, für EV5 etwa 37% und für EV4 etwa 40%.
- Eby G. Friedman (Hrsg.), Clock Distribution Networks in VLSI-Schaltungen und -Systemen . ISBN 0-7803-1058-6, IEEE Press. 1995.
- Eby G. Friedman, "Clock Distribution Networks in synchronen digitalen integrierten Schaltkreisen", Proceedings of the IEEE Vol. 5, S. 665–692, Mai 2001.
- "ISPD 2010 High Performance Clock Network Synthesis Contest", Internationales Symposium für Physical Design, Intel, IBM, 2010.
- D.-J. Lee, "Hochleistungs-Uhren-Netzwerksynthese mit geringem Stromverbrauch in Gegenwart von Variation", Ph.D. Dissertation, University of Michigan, 2011.
- I. L. Markov, D.-J. Lee, "Algorithmische Abstimmung von Taktbäumen und abgeleiteten Nicht-Baumstrukturen", in Proc. Int'l. Conf. Comp.-Aided Design (ICCAD), 2011.
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- Mitch Dale, "Die Macht des RTL-Clock-Gates", Entwurf von Elektroniksystemen mit Chipdesign 20. Januar 2007.
Angepasst von Eby Friedmans Kolumne in der ACM SIGDA E-Newsletter von Igor Markov
Der Originaltext ist verfügbar unter https://web.archive.org/web/20100711135550/http://www.sigda.org/newsletter/2005/eNews_051201.html
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