Taktsignal


Taktsignal

Ein Taktsignal oder Systemtakt (englisch clock signal, clock oder system 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.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Rechtecksignal

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.

Taktsignal bei integrierten Bauelementen

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 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 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 Frequenz von 1 GHz eine Taktperiode von 1 Nanosekunde.

Der Datendurchsatz eines Prozessors ergibt sich aus seinem Takt und der Datenrate 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: 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.

Siehe auch


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