Sinal de relógio
Em eletrônica e especialmente em circuitos digitais síncronos, um sinal de clock ou sinal de relógio é um sinal lógico eletrônico que oscila entre um estado alto e baixo em uma frequência constante e é usado como um metrônomo para sincronizar ações de circuitos digitais. Num circuito lógico síncrono, o tipo mais comum de circuito digital, o sinal de clock é aplicado a todos os dispositivos de armazenamento, flip-flops e latches, e faz com que todos mudem de estado simultaneamente, evitando condições de corrida.
A maioria dos circuitos integrados (ICs) de complexidade suficiente usa um sinal de clock para sincronizar diferentes partes do circuito, ciclando a uma taxa mais lenta do que os atrasos de propagação interna do pior caso. Em alguns casos, é necessário mais de um ciclo de clock para executar uma ação previsível. À medida que os ICs se tornam mais complexos, o problema de fornecer clocks precisos e sincronizados para todos os circuitos torna-se cada vez mais difícil. O exemplo proeminente de tais chips complexos é o microprocessador, o componente central dos computadores modernos, que depende de um clock de um oscilador de cristal. As únicas exceções são circuitos assíncronos, como CPUs assíncronas. Um sinal de clock também pode ser bloqueado, isto é, combinado com um sinal de controle que ativa ou desativa o sinal de clock para uma determinada parte de um circuito. Esta técnica é frequentemente usada para economizar energia, desligando efetivamente partes de um circuito digital quando não estão em uso, mas tem um custo de maior complexidade na análise de temporização.
Clock monofásico
A maioria dos circuitos síncronos modernos usa apenas um "clock monofásico" - em outras palavras, todos os sinais de clock são (efetivamente) transmitidos em 1 fio.
Clock bifásico
Em circuitos síncronos, um “clock bifásico” refere-se a sinais de clock distribuídos em 2 fios, cada um com pulsos não sobrepostos. Tradicionalmente, um fio é chamado de "fase 1" ou "φ1" (phi 1), o outro fio carrega o sinal de "fase 2" ou "φ2". Como as duas fases são garantidamente não sobrepostas, travas fechadas em vez de flip-flops acionados por borda podem ser usadas para armazenar informações de estado, desde que as entradas para travas em apenas uma fase dependem das saídas das travas na outra fase. Como uma trava fechada usa apenas quatro portas versus seis portas para um flip-flop acionado por borda, um clock de duas fases pode levar a um projeto com uma contagem geral de portas menor, mas geralmente com alguma penalidade na dificuldade e no desempenho do projeto.
Clock de 4 fases
Alguns circuitos integrados antigos usam lógica quadrifásica, exigindo uma entrada de clock de quatro fases que consiste em quatro sinais de clock separados e não sobrepostos. Isso era particularmente comum entre os primeiros microprocessadores, como o National Semiconductor IMP-16, Texas Instruments TMS9900 e o chipset Western Digital WD16 usado no DEC LSI-11. Os clocks de quatro fases raramente têm sido usados em processadores CMOS mais recentes, como o microprocessador DEC WRL MultiTitan, e na tecnologia Fast14 da Intrinsity. A maioria dos microprocessadores e microcontroladores modernos usa um clock monofásico.
Multiplicador de clock
Muitos microcomputadores modernos usam um "multiplicador de clock" que multiplica um clock externo de frequência mais baixa pela taxa de clock apropriada do microprocessador. Isso permite que a CPU opere em uma frequência muito mais alta que o resto do computador, o que proporciona ganhos de desempenho em situações onde a CPU não precisa esperar por um fator externo (como memória ou entrada/saída).
Alteração dinâmica de frequência
A grande maioria dos dispositivos digitais não requer um clock com frequência fixa e constante. Desde que os períodos mínimo e máximo do clock sejam respeitados, o tempo entre os extremos do clock pode variar amplamente de um extremo para o outro e vice-versa. Esses dispositivos digitais funcionam igualmente bem com um gerador de clock que altera dinamicamente sua frequência, como geração de clock de espectro espalhado, escala de frequência dinâmica, etc. Dispositivos que usam lógica estática nem sequer possuem um período máximo de clock (ou em outras palavras, frequência mínima de clock); esses dispositivos podem ser desacelerados e pausados indefinidamente e, em seguida, retomados na velocidade máxima do clock a qualquer momento.
Alguns circuitos de sinais mistos sensíveis, como conversores de precisão analógico-digital em vez de ondas quadradas como sinais de clock, porque ondas quadradas contêm alta frequência ondas senoidais, use que podem interferir no circuito analógico e causar ruído. Esses clocks de onda senoidal geralmente são sinais diferenciais, porque esse tipo de sinal tem o dobro da taxa de variação e, portanto, metade da incerteza de temporização de um sinal de terminação única com a mesma faixa de tensão. Os sinais diferenciais irradiam menos fortemente do que uma única linha. Alternativamente, uma única linha blindada por linhas de energia e terra pode ser usada. Em circuitos CMOS, as capacitâncias das portas são carregadas e descarregadas continuamente. Um capacitor não dissipa energia, mas energia é desperdiçada nos transistores de acionamento. Na computação reversível, indutores podem ser usados para armazenar essa energia e reduzir a perda de energia, mas tendem a ser bastante grandes. Alternativamente, usando um clock de onda senoidal, portas de transmissão CMOS e técnicas de economia de energia, os requisitos de energia podem ser reduzidos.[carece de fontes?]
A maneira mais eficaz de levar o sinal de clock a todas as partes de um chip que precisam dele, com a inclinação mais baixa, é um metal grade. Em um microprocessador grande, a potência usada para acionar o sinal de clock pode ser superior a 30% da potência total usada por todo o chip. Toda a estrutura com as portas nas extremidades e todos os amplificadores entre elas devem ser carregadas e descarregadas a cada ciclo. Para economizar energia, o clock gating desliga temporariamente parte da árvore. A rede de distribuição de clock (ou árvore de clock, quando esta rede forma uma árvore como uma árvore H) distribui o(s) sinal(s) de clock de um ponto comum para todos os elementos que dele necessitam. Como esta função é vital para a operação de um sistema síncrono, muita atenção tem sido dada às características desses sinais de clock e às redes elétricas utilizadas em seus distribuição. Os sinais de clock são frequentemente considerados simples sinais de controle; entretanto, esses sinais possuem algumas características e atributos muito especiais.
