
Для функционирования цифровых схем характерен строгий порядок чередования логических состояний. Он называется тактированием и исчисляется в (кило-, мега-, гига-) герцах. Так, например, системное время тактируется частотой в 32 КГц, а если точнее — 32768 Гц. Почему? Ответ тривиальный: в основе работы системных часов лежит использование пятнадцатиразрядного двоичного счетчика (215). Если его инкрементировать — увеличивать значение на единицу — с частотой 32768 Гц, он будет переполняться ежесекундно, что позволит реализовать схему системных часов на типовой логике без особых конструктивных сложностей.
Рис 1. Блок-схема кварцевых часов
Тактирование процессора
Еще один пример хрестоматийной частоты, используемой в персональном компьютере — 4,77 МГц. Производительность первых процессоров x86 архитектуры ограничивается именно этим параметром. Его значение формируется из частоты кварцевого резонатора 14.31818 МГц, которая делится на 3 тактовым генератором процессора и на 4 для получения сигнала цветности 3.58 МГц, необходимого для цветного телевидения. Другими словами, несложными операциями мы получаем из опорной частоты не только тактирование процессора, но 4/3 поднесущей частоты сигнала NTSC для формирования изображения на экране дисплея. Хотя даже во времена, когда компьютерные дисплеи использовали телевизионные частоты, большинство реализаций видео адаптеров снабжались собственными кварцевыми резонаторами.
Рис 2. Кварцевые резонаторы ("часовой" и опорной частоты) на современной платформе ASUS M2N-MX
При тактовой частоте 4.77 МГц длительность цикла обмена по системной шине 8088 составляет четыре такта по 210 нсек или 840 нсек. Медленные периферийные устройства требуют увеличения длительности цикла обмена, как правило до пяти тактов по 210 нсек, что составляет 1.05 мксек.
Кварцевый резонатор — основа тактирования
Для изготовления кварцевых резонаторов используют природный или искусственно выращенный монокристалл кварца. В силу того, что он обладает анизотропными свойствами, параметры резонатора зависят от плоскости приложения электрического поля относительно ориентации его кристаллографических осей. Благодаря использованию различных направлений среза удается добиться нужных, часто весьма противоречивых и многочисленных требований, предъявляемых к характеристика кварцевых резонаторов.
Рис 3. Виды колебаний кварцевых элементов: а) сжание/растяжение, б) изгиб, в) кручение по вертикали,
г) кручение по горизонтали, д )сдвиг по контуру, е) сдвиг по толщине
Кристалл кварца демонстрирует как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект характеризуется тем, что под воздействием механической силы на поверхностях кристалла появляется электрический заряд, пропорциональный приложенной силе. Обратный пьезоэффект сводится к тому, что приложенное к поверхности электрическое напряжение приводит к изменению формы и размера пластины. Возможные виды механических колебаний кварцевых элементов представлены на Рис. 3. Чаще всего используют колебания сжатия — растяжения, изгиба, кручения, сдвига по контуру и по толщине. Эти колебания возможны как на основной резонансной частоте кварца, определяемой его геометрическими размерами и видом среза, так и на различных гармониках, кратных этой частоте.
Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект используются в кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты. Кварцевый резонатор представляет собой очень тонкую кварцевую пластину, контактирующую с двумя металлизированными поверхностями. Физический размер и толщина фрагмента кварцевого кристалла влияет на параметр его колебаний, который называется «характеристической частотой» кварца. Другими словами, его размер и форма определяют основную частоту колебаний — характеристическая частота обратно пропорциональна толщине кристалла.
Рис 4. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Механические колебания кристалла могут быть представлены электрической схемой, эквивалентной последовательному колебательному контуру, состоящему из низкоомного резистора (R), катушки индуктивности (L) и конденсатора малой емкости (Cs). Конденсатор Cp моделирует паразитную емкость кварцедержателя и монтажа.
«Если быть предельно точным»
Необходимым, но недостаточным условием работоспособности цифровых схем является наличие питающих напряжений и тактовых электрических импульсов, задающих порядок выполнения компьютером элементарных операций. Узлы и контроллеры персональной платформы взаимодействуют между собой в рамках, строго заданных тактированием.
Рис 5. Кварцевый резонатор 14.31818 МГц на современной системной плате формирует опорную частоту для генератора тактовых импульсов
Этот процесс делегирован тактовому генератору — специальной микросхеме, которая опираясь на стабильные параметры кварцевого резонатора формирует сетку частот, обеспечивающих функционирование центрального процессора, оперативной памяти и контроллеров ввода/вывода. Ее часто называют синтезатором частот или генератором тактовых импульсов.
Рис 6. Генерируя стабильные импульсы, кварцевый резонатор вырабатывает опорную частоту, из которой тактовый генератор формирует сетку частот, обеспечивающих функционирование компьютера
Так, например, делением частоты 14.31818 МГц на 12, вырабатывается сигнал тактирования системного таймера, равный 1.193 МГц, который, в свою очередь, делит эту частоту на 65536 = 216. В результате вырабатывается частота для генерации временны́х меток DOS Ticks (в переводной литературе — тики системного таймера). Эта частота, равная 18.2 Гц, используется для периодических прерываний от системного таймера.