Taktsignal
Ein Taktsignal oder Systemtakt (englisch clock signal, clock oder system clock genannt) ist in der Digitaltechnik ein binäres Signal, das der Koordination bzw. Synchronisation der Aktionen mehrerer Schaltkreise (insbesondere der von Flipflops) innerhalb komplexer digitaler Systeme (Schaltwerke) dient. Je nach Anwendung kann das Taktsignal sich mit einer definierten Frequenz (Taktfrequenz genannt) wiederholen oder auch aperiodisch sein.
Allgemeines
Wenn ein periodisches Taktsignal vorliegt, wird es von einem Oszillator, wie beispielsweise einem Quarzoszillator, erzeugt. Eine übliche Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Taktsignalen ist die Pierce-Schaltung.
Takterzeugung
Das Taktsignal oszilliert dabei zwischen den beiden Logikpegeln, wie in nebenstehender Skizze mit H für High und L für Low dargestellt. Das Taktsignal wird durch die Periode der Oszillation beziehungsweise mit ihrem Kehrwert, der Frequenz und das Tastverhältnis charakterisiert.
Zur Takterzeugung eines Rechtecktakts werden heute bei elektronischen Schaltungen neben den Schwingquarzen samt der Ansteuerschaltung auch Quarzoszillatoren verwendet. Die Vorteile dieser Bauelemente sind die geringe Toleranz der erzeugten Frequenz und die hohe Stabilität der Frequenz über den zulässigen Temperaturbereich, der Alterungsbeständigkeit des Bauelements und den zulässigen Bereich bei der Betriebsspannung der Bauelemente.
Moderne Prozessoren sowie ihre Hilfsbausteine auf der Hauptplatine eines Computers benötigen mehrere verschiedene Taktsignale, da beispielsweise die CPU mit sehr viel höherem Takt läuft als externe Schnittstellen. Auch innerhalb der CPU werden vor allem zwecks Energieeinsparung Frequenzen dynamisch je nach Betriebssituation umgeschaltet. Für die Bereitstellung solcher vielfältiger Taktsignale ist üblicherweise ein Master-Oszillator zuständig, der über eigene Frequenzteiler alle benötigten Frequenzen aus einer noch höheren Quarzfrequenz ableitet.
CPUs und GPUs werden in Ausführungen für bestimmte Taktfrequenzbereiche angeboten, für die sie in der Herstellung getestet wurden. Da diese Bereiche zur Sicherheit eher konservativ ausgelegt sind, streben viele Anwender – vor allem aus dem Computerspiel-Bereich – an, die Grenzen auszureizen. Viele Prozessoren bieten für dieses Übertakten spezielle Steuerregister an, über die man einen Teilerfaktor – den Multiplikator – einstellen kann, der angibt, wie die Arbeitsfrequenz aus der Taktfrequenz geteilt werden soll. Solche Einstellungen sind jedoch riskant, da im Extremfall Datenverluste oder auch Zerstörung des Prozessors passieren können. Daher gibt es Firmen, die als Teil ihres Dienstleistungsangebots solche übertakteten Rechner oder Grafikkarten anbieten, die sie vorher auf ausreichende Betriebssicherheit getestet haben.
Taktsignal bei integrierten Schaltungen
Die Schaltkreise, die das Taktsignal zur Synchronisierung benutzen, können je nach Bauart entweder während der steigenden oder der fallenden Flanke des Signals aktiv werden (bei DDR werden beide Flanken genutzt), man spricht dabei von Flankensteuerung oder Flankentriggerung. In Datenblättern und Diagrammen wird das Taktsignal häufig mit CLK bezeichnet. Mittels Clock-Gating kann in integrierten Schaltungen der Takt selektiv bei bestimmten, momentan nicht benötigten Schaltungsteilen weggeschaltet werden, um die mittlere Leistungsaufnahme zu reduzieren.
Die meisten komplexeren integrierten Schaltkreise erfordern ein Taktsignal, um unterschiedliche Teile der Chips zu synchronisieren und Gate-Delays auszugleichen. Da diese Bauelemente immer komplexer werden, wird die Lieferung akkurater und überall gleicher Takte an alle Schaltkreise immer schwieriger. Das Paradebeispiel für solche komplexen Chips sind Mikroprozessoren, die zentralen Bestandteile moderner Computer. Für die verwendeten Transistoren wird häufig die Frequenz angegeben, bis zu der eine Verstärkung eines kleinen Signals möglich ist.
Arbeitsgeschwindigkeit von Prozessoren
Mit der Prozessorfrequenz – auch (Prozessor-)Taktfrequenz, Taktung oder Taktrate genannt – gibt man die Geschwindigkeit an, mit der Daten in Computern verarbeitet werden können. Sie wird in Hertz (Hz) angegeben. Da die Frequenz moderner Prozessoren mehrere Milliarden Hertz beträgt, werden die Zahlen oft mit Hilfe von Vorsätzen wie Giga (G) für Milliarden oder Mega (M) für Millionen abgekürzt (in Eingebetteten Systemen sind aber teilweise auch kHz üblich). Zum Beispiel bedeutet eine Prozessor-Taktfrequenz von 1 GHz eine Taktperiode von einer Nanosekunde.
Der Datendurchsatz eines Prozessors ergibt sich aus seinem Takt und der Datenübertragungsrate seiner Anbindung an den Hauptspeicher. Die Rechenleistung (gemessen zum Beispiel in MIPS oder FLOPS) ist nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der gesamten Architektur des Prozessors abhängig. Selbst bei Prozessoren, die den gleichen Befehlssatz verwenden, können sich bei gleicher Taktrate gravierende Rechenleistungsunterschiede zeigen, deren Ursache zum Beispiel in der IPC-Rate (IPC für englisch Instructions per cycle ‚Instruktionen pro Takt‘), firmenspezifischen Merkmalen (zum Beispiel SIMD-Erweiterungen) oder in der bereits angesprochenen Speicherbandbreite begründet liegen kann. Die IPC-Rate gibt an, wie viele Instruktionen pro Takt ein Prozessor durch Parallelisierung gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Takt mehr Rechenoperationen und rechnet daher schneller.