Taktsignal

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Gehäuster Schwingquarz und integrierter Quarzoszillator – typische Quellen eines Taktsignals

Ein Taktsignal (kurz auch nur Takt; englisch clock signal oder clock) ist ein Signal, welches für den zeitlichen Ablauf beim Betrieb einer elektronischen Schaltung notwendig ist. Meistens ist es eine periodische Schwingung, die durch ihre Frequenz (Taktfrequenz genannt) bzw. deren Kehrwert, die Periodendauer, spezifiziert ist. Insbesondere benötigen viele digitale Schaltungen ein Taktsignal zur Koordination bzw. Synchronisation[1] der Aktionen mehrerer Schaltkreise (insbesondere der von Flipflops) innerhalb komplexer digitaler Systeme (Schaltwerke).

Aperiodisches Taktsignal bei einer I²C-Über­tragung (zu sehen ist der Beginn mit der Start­bedingung (markiert mit einem grünen Punkt) und der Adres­sierung inkl. Acknowledge; die obere Wellen­form stellt das Daten­signal dar, die untere das Takt­signal). Das Takt­signal besteht nur aus einer passenden Anzahl von Taktzyklen. Das Übertragungs­protokoll wird durch Software gesteuert (Bit­banging); der steuernde Prozessor behandelt hier im Beispiel einen zufällig nach dem dritten Bit aufgetrete­nen Interrupt, wodurch sich eine Verzö­gerung der Über­tragung (hier um etwa 70 µs) ergibt. Da Daten- und Taktsignal dennoch synchron zueinander bleiben, handelt es sich um ein vollkommen legitimes und gültiges I²C-Signal.

Prominentes Beispiel eines Taktsignals ist der Systemtakt (system clock) in einem Computer, der die Arbeitsgeschwindigkeit vieler Komponenten, insbesondere des Mikroprozessors, bestimmt. Aber auch bestimmte analoge Schaltungen, beispielsweise ein Switched-Capacitor-Filter[2], benötigen eine genaue Taktfrequenz. In den meisten Fällen ist das Taktsignal periodisch, kann aber je nach Anwendung auch aperiodisch sein; Beispiel hierfür ist die synchrone Datenübertragung, wie z. B. SPI oder I²C.

Abgrenzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Technikerjargon wird häufig bloß von Takt gesprochen, wobei dem Zusammenhang entnommen werden muss, ob damit Taktsignal, Taktfrequenz oder Taktzyklus gemeint ist.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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. Aus der Anwendung ergeben sich Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit der Frequenz, Phasenrauschen bzw. Jitter etc., die sich auf die Auswahl bzw. das Konstruktionsprinzip des Oszillators auswirken (beispielsweise Ringoszillator bei sehr geringen oder Atomuhr bei höchsten Genauigkeitsanforderungen).

In der Idealvorstellung ist ein Taktsignal eine Rechteckschwingung. Tatsächlich jedoch hat die Kurvenform eines Taktsignals häufig eine größere Ähnlichkeit zu einer Sinusschwingung als zu einer Rechteckschwingung. Häufig ist die Taktfrequenz fast so hoch wie die technologisch bedingte Maximalfrequenz des Schaltwerks. Zur Befriedigung der Anforderung an die Flankensteilheit genügt in diesem Fall eine oberschwingungsarme Wellenform vollauf – welche zudem Vorteile in puncto Verminderung unerwünschter Störausstrahlung mit sich bringt.

Takterzeugung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Taktsignal

Das Taktsignal oszilliert dabei zwischen den beiden Logikpegeln, wie in nebenstehender Skizze mit H für High und L für Low dargestellt. Das Taktsignal wird (neben den Spannungspegeln) durch seine Periode (beziehungsweise deren Kehrwert, die Frequenz) und sein 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.

Übertakten: Experi­men­teller Betrieb eines mit flüssigen Stick­stoff gekühlten Aufbaus

Moderne Prozessoren sowie ihre Hilfsbausteine auf der Hauptplatine eines Computers benötigen mehrere verschiedene Taktsignale, da beispielsweise die CPU mit sehr viel höherer Taktfrequenz 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 bzw. Phasenregelschleifen (PLL) alle benötigten Frequenzen aus einer Quarzfrequenz ableitet.

CPUs und GPUs werden in Ausführungen für bestimmte Taktfrequenzbereiche angeboten, für die sie bei der Entwicklung spezifiziert und bei der Herstellung getestet wurden. Da in diese Bereiche wegen der Betriebssicherheit und wegen unvermeidlicher Produktionstoleranzen Reserven eingeplant 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 es im Extremfall zu Datenverlusten oder auch der Zerstörung des Prozessors kommen kann. 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Schaltkreise, die das Taktsignal zur Synchronisierung benutzen, können je nach Bauart entweder während der steigenden oder der fallenden Signalflanke aktiv werden (bei Double Data Rate (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 das Taktsignal 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 aufgrund des technischen Fortschritts sowohl immer komplexer als auch tendenziell schneller werden, wird die Lieferung eines akkuraten und überall gleichen Taktsignals an alle Schaltkreise für die Chipentwickler zu einer immer größeren Herausforderung. Das Paradebeispiel für solche komplexen Chips sind Mikroprozessoren, die zentralen Bestandteile moderner Computer.

Arbeitsgeschwindigkeit von Prozessoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 seiner Taktfrequenz 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 Taktzyklus‘), firmenspezifischen Merkmalen (zum Beispiel SIMD-Erweiterungen) oder in der bereits angesprochenen Speicherbandbreite begründet liegen kann. Die IPC-Rate gibt an, wie viele Instruktionen pro Taktzyklus ein Prozessor durch Parallelisierung gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Taktzyklus mehr Rechenoperationen und rechnet daher schneller.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Vojin G. Oklobdzija,‎ Vladimir M. Stojanovic, Dejan M. Markovic, Nikola M. Nedovic: Digital System Clocking. High-Performance and Low-Power Aspects. Wiley-IEEE Press, 2003, ISBN 978-0-471-27447-6.

Beleg[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Taktgeber. In: ITWissen.info – Technologiewissen online. DATACOM Buchverlag GmbH; abgerufen am 29. September 2017.
  2. Paul Horowitz, Winfield Hill: The Art of Electronics. 2nd ed. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom 1989, ISBN 0-521-37095-7, S. 282.