Taktsignal
Ein Taktsignal (engl. clock signal, oder nur clock genannt) ist in der Digitaltechnik ein binäres Signal, das der Koordination der Aktionen mehrerer Schaltkreise, insbesondere der Synchronisation von Flipflops, innerhalb komplexer digitaler Systeme dient. Je nach Anwendung kann das Taktsignal sich mit fester Frequenz wiederholen oder auch aperiodisch sein.
Wenn ein periodisches Taktsignal vorliegt, wird es meist von einem Taktgenerator erzeugt. Das Taktsignal oszilliert dabei zwischen einem hohen und einem niedrigen Status. Es wird durch die Periode der Oszillation beziehungsweise mit ihrem Kehrwert, der Taktfrequenz und das Tastverhältnis charakterisiert. 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.
Die meisten komplexeren integrierten Schaltkreise erfordern ein Taktsignal, um unterschiedliche Teile des Chips zu synchronisieren und Gate-Delays auszugleichen. Da Chips 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. Diese liegt etwa zehnmal höher als die Taktfrequenz.
Die Taktfrequenz von Prozessoren
Mit der Taktfrequenz bezeichnet man den Rhythmus, in dem Daten in Computern verarbeitet werden. 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 Taktfrequenz von 1 GHz eine Taktperiode von 1 Nanosekunde. Der Datendurchsatz eines Prozessors ergibt sich aus der Taktfrequenz und der Datenrate seiner Anbindung an den Hauptspeicher. Die Rechenleistung (gemessen zum Beispiel in MIPS oder FLOPS) ist nicht nur von der Taktfrequenz, sondern auch von der gesamten Architektur des Prozessors abhängig. Selbst bei Prozessoren, die den gleichen Befehlssatz verwenden, können sich bei gleicher Taktfrequenz gravierende Rechenleistungsunterschiede zeigen, deren Ursache zum Beispiel in der IPC-Rate (IPC: 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 ein Prozessor durch Parallelisierung gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Takt mehr Rechenoperationen und berechnet daher schneller.
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 Bauelement und den zulässigen Bereich bei der Betriebsspannung der Bauelemente.