پالس ساعت یا کلاک پالس Clock Pluse چیست؟

کلاک پالس همون چیزیه که خیلی شنیدین . کلاک پالس همون چیزیه که برای فهم ساده تر ، به “سرعت پردازنده” تعبیر شده . وقتی میگید فلان پردازنده ۲.۳ گیگا هرتز هست منظور فرکانس کلاک پالس هست . موقع خرید پردازنده قطعا سرعت CPU به گوشتون خورده . امروز می خوام در مورد کلاک پالس یا پالس ساعت صحبت کنم . چیزی که باعث همزمانی المان های سخت افزاری موجود روی یک مدار الکترونیکی دیجیتال میشه . توضیحات طبقه بندی و به زبون ساده بیان شده بنابراین ازتون می خوام که تا انتهای پست رو بخونید.

در این پست  سیگنال = شکل موج

کلاک پالس یا سیگنال کلاک چیست ؟

کلاک پالس یک شکل موج مربعی هست که بین دو حالت بالا ( معمولا ۱ منطقی یا ۵ ولت واقعی )  و یک حالت پایین ( معمولا ۰ منطقی یا ۰ ولت ) تغییر وضعیت میده . این شکل موج مربعی باعث هماهنگی بی نقصی بین اجزای یک مدار الکترونیکی میشه . کلاک پالس ویژگی های خاص خودش رو داره که در ادامه بیشتر توضیح میدم .

 کلاک پالس در حالت کلی و ایده ال

 در شکل بالا VH و VL داریم . V که مخفف ولتاژ هست . H مخفف High یا بالا و L مخفف Low به معنی پایین هست . بسته به مدارات گوناگون ، یک منطقی می تونه متغیر باشه ، در برخی مدارات ، یک منطقی ۵ ولت هست و در برخی دیگه ۳ ولت . پس تا اینجا فهمیدیم که کلاک پالس یه شکل موج مربعی هست که اکثر مواقع بین دو مقدار ۵ ولت و صفر ولت و یا بین ۳ ولت و صفر ولت تغییر وضعیت میده . این کلاک پالس به صورت ایده ال هست یعنی هیچ وقفه زمانی برای صفر و یک شدن نداره اما کلاک پالس واقعی اینجوری نیست در ادامه میگم که چجوریه .

 کلاک پالس چگونه درست می شود ؟

کلاک پالس در واقع حاصل دست رنج چندین قطعه و فرمول مهندسی است . تولید کننده پالس یا به انگلیسی Clock Generator کارش ساختن کلاک پالس هست . چیزی که تو همه مدارات تولید کننده پالس مشترک هست قسمت نوسانساز و قسمت فیدبک یا به عبارت دیگه تقویت کننده هست .

کار نوسانساز ها و یا به انگلیسی اسیلاتور ( Oscilator ) ساختن یک شکل موج متناوب هست . این شکل موج در ابتدا وجود نداره و نوسانساز با استفاده از سلف و خازن و مقاومت و یا کریستال کوارتز درستش می کنه . در واقع کار اسیلاتور یه جورایی تبدیل سیگنال DC ( ولتاژ باتری یا منبع تغذیه DC ) به سیگنال متناوب ( نوسانی ) یا AC هست . یعنی یک ولتاژ ثابت مثلا ۱۰ ولتی رو به یه ولتاژ متغیر با زمان تبدیل می کنه که این ولتاژ به وسیله آمپلی فایر یا تقویت کننده ، تقویت و آماده استفاده میشه . خیلی ساده بگم که نوسان یک سیگنال الکترونیکی از شارژ و دشارژ خازن و یا سلف ( که کمتر از سلف استفاده میشه ) درست میشه . بسته به مقدار خازن و مقاومتی که در اسیلاتور استفاده میشه ، می تونیم زمان نوسان و مقدار سیگنال رو تنظیم کنیم . شکل زیر یک نوسانساز رو نشون میده.

 نوسانساز RC برای تولید کلاک پالس

 در شکل بالا حرف R مخفف Resistor به معنی مقاومت و حرف C مخفف Capacitor به معنی خازن است . همونطور که می بینید شکل موج مربعی وابسته به شکل موج دندانه اره ای هست که خازن نوسان می کنه . یعنی خازن و مقاومت ( مجموعا نوسانساز ) تعیین می کنن که کلاک پالس چه مقدار در موقعیت یک یا High و چه مقدار در موقعیت صفر یا Low بمونه . خروجی مدار بالا مثل شکل موج بنفش هست فقط کمی دامنه ولتاژ بیشتری داره . شکل موج مشکی ، شارژ و دشارژ خازن هست . وقتی خازن شارژ میشه ، کلاک پالس High و وقتی خازن تخلیه میشه کلاک پالس Low میشه .

نوع دیگر نوسانساز ، کریستال پیزوالکتریک هست که بسیار بسیار دقیقه . پیزوالکتریک به معنی تولید برق از طریق فشار هست . بسته به اندازه و ویژگی های کریستال ، فرکانس خاصی از داخل این کریستال نوسان می کنه . در مدارات کامپیوتری برای تولید کلاک از همین کریستال پیزوالکتریک استفاده می کنن . شکل زیر رو ببینید:

 کریستال نوسانساز برای تولید کلاک پالس – مادربورد کامپیوتر

 این نوسانساز با یک فرکانس خاصی کار می کنه و این سیگنال با فرکانس خاص به یک تولید کننده پالس یا به انگلیسی Pulse Generator فرستاده میشه . در شکل بالا قطعه ای که با رنگ قرمز مشخص شده کریستال هست و چیپ کناریش هم تولید و هماهنگ کننده کلاک پالس . داخل این چیپ ، قسمت هایی مثل تقسیم کننده فرکانس ( Frequency Divider ) و یا ضرب کننده کلاک ( Clock Multiplier ) وجود دارن . یه فرکانس مرجع که فرکانس کریستال هست باید به چندین و چند فرکانس تبدیل بشه مثلا پردازنده یا CPU احتیاج به کلاک پالس خیلی سریع داره بنابراین کلاک پالس مورد نیاز CPU داخل این چیپ و توسط مدار ضرب کننده کلاک ساخته میشه.

سیگنال خروجی نوسانساز معمولا شکل موج سینوسی یا دندانه اره ای هست  . حالا این سیگنال به تولید کننده پالس میره و خروجی تولید کننده پالس رو تعیین می کنه . به زبون ساده ، شکل موج دندانه اره ای که خروجی نوسانساز هست مشخص می کنه که چه مقدار ( از نظر زمانی ) خروجی تولید کننده پالس روشن و چه مقدار خاموش باشه . روشن بودن خروجی تولید کننده پالس یعنی یک منطقی و خاموش بودن خروجی تولید کننده پالس یعنی صفر منطقی . کلاک پالس هم همینه . صفر میشه ، یک میشه دوباره صفر میشه ، یک میشه . به شکل زیر دقت کنید.

 ساخت کلاک پالس با آی سی ۵۵۵

 در شکل بالا همونطور که می بینید خروجی آی سی ۵۵۵ که یک شکل موج مربعی یا همون کلاک پالس هست ( شکل موج آبی ) به شکل موج دندانه اره ای که خازن تولید کرده ( شکل موج سبز ) وابسته هست و t1 و t2 در سیگنال سبز با t1 و t2 کلاک پالس برابره . تا زمانی که شکل موج خازن شکلی صعودی داره کلاک پالس یک هست و به محض نزولی شدن موج خازن کلاک پالس هم صفر میشه . اینجوری میشه که می تونیم زمان بندی یک کلاک پالس رو در اختیار بگیریم یعنی تعیین کنیم چه مدت یک باشه و چه مدت صفر . شکل زیر

:

 کلاک پالس چه ویژگی هایی دارد ؟

■ سیکل یا Cycle کلاک پالس

حرکت نقطه به نقطه یک شکل موج یا سیگنال رو سیکل میگن . سیکل در واقع قسمتی از سیگنال هست که مرتبا تکرار میشه . در ادامه با شکل نشون میدم .

■ دوره تناوب یا پریود کلاک پالس

بازه زمانی که کلاک پالس از یک نقطه شروع میشه و دوباره به همون نقطه بر میگرده رو ” دوره تناوب ” یا ” پریود ” می گن که با T نشون میدن . به عبارت دیگه مدت زمانی که طول میکشه تا یک سیکل کامل بشه رو دوره تناوب میگن . این زمان هر چی کمتر باشه بهتره و میگن فرکانس سیگنال بیشتره ( سرعت بیشتره ) . فرکانس و دوره تناوب برعکس همدیگه هستن .

اینکه چه مدت زمان ، کلاک پالس یک باشه و چه مدت صفر ، به نیازهای مدار و قطعات بر میگرده . معمولا کلاک پالس ۵۰ درصد یک هست و ۵۰ درصد صفر . حالا طراحان مدارهای الکترونیکی ، قطعات رو طوری طراحی می کنن که با هر بار یک شدن و یا صفر شدن کلاک پالس ، اطلاعات جابجا بشه . در واقع واسه همینه که سرعت صفر و یک شدن کلاک پالس اهمیت داره . همونطور که در عکس زیر می بینید ، کلاک پالس از یک نقطه یک میشه ، یه مدت زمانی یک می مونه و صفر میشه باز یه مدت صفر می مونه و دوباره یک میشه .

 کلاک پالس در حالت واقعی

 یه توضیح داخل پرانتز بگم که هیچ قطعه الکترونیکی به صورت ایده ال کار نمی کنه همیشه یک سری تلفات زمانی و گرمایی داریم . ایده ال برای قصه و کتاب هاست . کلاک پالس واقعی به صورت شکل بالاست . یعنی یک مدت زمان کوتاهی طول میکشه تا شکل موج تغییر وضعیت بده که به زمان صعود ( Rising Time )  و زمان نزول ( Falling Time ) تعبیر میشن . واسه همینه که سیگنال بالا یه مقدار کج رسم شده .

■ فرکانس کلاک پالس

تعداد دفعاتی که کلاک پالس در مدت زمان ۱ ثانیه ( دقت کنید ) از یک نقطه شروع و به همون نقطه بر میگرده رو فرکانس میگن که با حرف F نشون میدن . به زبون ساده تعداد سیکل در یک ثانیه رو فرکانس میگن .

واحد فرکانس Hertz به فارسی هرتز هست که به طور اختصار Hz نمایش میدن . الان مثلا فرکانس برق شهر ۵۰ هرتز هست یعنی ۵۰ بار در ثانیه از یک نقطه شروع و به همون نقطه حرکت میکنه . یعنی در یک ثانیه ۵۰ تا سیکل رو کامل می کنه . حالا اگه تعداد دفعات حرکت از یک نقطه به همون نقطه زیاد باشه میگن سیگنال ، فرکانسش بالا هست و به کیلو هرتز ، مگا هرتز و گیگاهرتز بیان می کنن . مثلا میگن سرعت پردازنده  ۲.۳ گیگاهرتز هست این یعنی کلاک پالس داخلی پردازنده ۲ میلیارد و ۳۰۰ میلیون بار در ثانیه از یه نقطه به نقطه مشابه حرکت می کنه ( خیلی حرفه تو ۱ ثانیه !! ) . یعنی پردازنده قادر به پردازش ۲ میلیارد و ۳۰۰ میلیون داده در یک ثانیه هست و به همین دلیله که این سرعت مهمه . البته پردازش اطلاعات و تعداد اون به عوامل زیادی در پردازنده بستگی داره که جاش اینجا نیست.

  تعریف سیکل و فرکانس کلاک پالس

 مثلا ذر شکل بالا فرکانس سیگنال ۲ هرتز هست یعنی در هر ۱ ثانیه دو سیکل زده میشه . سیکل رو از هر نقطه شکل موج می تونید فرض کنید اما باید به همون نقطه برگرده . در شکل بالا نقاط قرمز رو مشخص کردم .

 منظور از همزمانی یا Synchronous توسط کلاک پالس در مدارات الکترونیکی چیست ؟

با یه مثال عمل همزمانی در الکترونیک رو توضیح میدم . فرض کنید ۱۰ تا اتاق داریم که هر کدوم یه مامور دارن ، این آقایون مامور ( شاید زن باشن معلوم نیست ! ) در هر بار که در باز میشه به صورت هماهنگ با همدیگه ، فقط اجازه ورود ۲ نفر رو به داخل میدن . پس به صورت همزمان ۲۰ نفر وارد میشن ، نه کمتر نه بیشتر ، درسته ؟ در مدارات الکترونیک هم همینه ، به جای اینکه مامور بزارن اومدن یک سیگنال ( کلاک پالس ) درست کردن که قطعات الکترونیکی رو به صورت همزمان فعال میکنه . به عبارت دیگه ، با هر بار روشن شدن کلاک پالس ، قطعات اجازه ورود اطلاعات محدودی رو دارن و برای دریافت اطلاعات بعدی باید تا روشن شدن کلاک بعدی صبر کنن . البته این صبر انقدر زود تموم میشه که هیچ بنی جنبنده ای متوجه نمیشه .

چرا از کلاک پالس در مدارات الکترونیکی استفاده می شود ؟

به این لیل که سر هر چهار راه چراغ راهنمایی نصب کردن . فقط ۱۰ ثانیه ۱ چهار راه پر ترافیک رو بدون چراغ راهنمایی تصور کنید ، همینجوری با وجود چراغ راهنمایی هر راننده فکر می کنه حق با اونه حالا فکر کنید واقعا چراغ نباشه و هر کی بخواد وارد چهار راه بشه . در مورد قطعات الکترونیکی هم همین مسئله صدق می کنه . اگه هر قطعه ای بخواد هر زمان که دوس داره اطلاعات رو به پردازنده بفرسته و پردازنده هم هر ورودی که میگیره رو هر جور که دوس داره به خروجی تبدیل کنه ، دیگه معلومه چی میشه . کلاک پالس میاد میگه هر وقت من یک شدم ، فلان دستور و هر وقت صفر شدم و دوباره یک شدم دستور بعدی اجرا بشه .

از طرف دیگه ، ورودی هایی که به مدارات الکترونیکی داده میشه بعد از پردازش به خروجی تبدیل میشه ، این پردازش معمولا زمان می بره ( زمانی که خیلی خیلی کمه اما وجود داره ) . خروجی یه مدار می تونه ورودی یه مدار دیگه باشه حالا اگه ورودی بعد از گذشت زمان تبدیل به خروجی بشه و این خروجی به ورودی مدار بعدی بره و … فکر کنید چه نا هماهنگی زمانی بوجود میاد . حالا اگه مدت کلاک پالس رو بیشتر از مدت زمان پردازش اطلاعات در نظر بگیرن مشکل حل خواهد شد .

بحث کلاک پالس واقعا پیچیده اس منظور اینکه اینجا نمیشه بجث رو بیشتر از این باز کرد فقط خواستم یه ذهنیتی در مورد سرعت پردازنده ها پیدا کنید و وقتی صحبت از سرعت کلاک ، فرکانس کلاک و … شد ، بدونید که دارن در مورد چی صحبت می کنن.

منبع : سایت علم فردا