Órajel

Az órajel (más néven: ütemjel, angolul: "clock signal") az elektronikában és a szinkron digitális hálózatokban (tehát például a legtöbb számítógépben) egy olyan jel, amely két vagy több áramkör tevékenységét koordinálja. Az órajel egy alacsony és egy magas jelszint között oszcillál, és általában közel négyszögjel alakú. Az áramkörök, amiket az órajel szinkronizál, aktivizálódhatnak az órajel lefutó vagy a felfutó élére, vagy mindkettőre (mint például a DDR SDRAM).

Egyes analóg és digitális elemeket is tartalmazó áramkörökben, mint például A/D átalakítók, négyszögjel helyett szinuszhullámot használnak.

A számítástechnikában

Egy számítógép (általánosságban: digitális rendszer) teljesítményét az órajel alapvetően meghatározza. Az órajelet a vezérlőkvarc (órajeladó) hozza létre, amely vagy közvetlenül integrálva van a processzorba (illetve mikrovezérlőbe), vagy azon kívül helyezkedik el. A rendszeróra folyamatosan, periodikusan jeleket szolgáltat. Két ilyen jel ad ki egy processzorciklust. Az egyszerű utasításokat kevesebb, míg a bonyolultabbakat több processzorciklus alatt hajtja végre a processzor. Két processzorciklus alkot egy sínciklust, melyek során a processzor a memóriához fordul. Az első ciklus során a memória címzése történik meg, a második ciklus alatt a processzor az utasítást közli.

Az órajelciklusok szinkronizálják a processzor különböző részeit: a regisztereket, az aritmetikai-logikai egységeket (ALU), a vezérlőegységeket és a gyorsítótárakat. Ez a szinkronizáció biztosítja, hogy az adatok a megfelelő időben, a megfelelő helyre kerüljenek, és a műveletek a helyes sorrendben történjenek meg. Az órajel stabilitása és pontossága kulcsfontosságú a processzor megbízható működéséhez.

Az órajel a személyi számítógép munkaüteme és megahertzben (MHz) vagy gigahertzben (GHz) adják meg. Egy hertz az a frekvencia, amely 1 másodperc alatt egy rezgést végez. A 3 GHz (=3000 MHz) azt jelenti, hogy a kvarc másodpercenként 3 milliárdszor rezeg. Ez a rezgés határozza meg az utasítások végrehajtásának gyorsaságát. A magasabb órajel elméletileg gyorsabb működést jelent, hiszen több ciklus áll rendelkezésre másodpercenként az utasítások feldolgozására. Azonban ez az elmélet a valóságban sokkal összetettebb, és számos más tényező is befolyásolja a tényleges teljesítményt. Az órajelfrekvencia önmagában nem elegendő a processzorok összehasonlításához, de kiindulási pontként és az alapvető működési sebesség indikátoraként továbbra is releváns. A számítástechnika fejlődése során az órajel növelése az egyik elsődleges cél volt a teljesítmény javítása érdekében, mielőtt más architektúrális fejlesztések kerültek volna előtérbe.

Történet

Az órajelfrekvencia már a számítástechnika korai időszakában kiemelkedően fontossá vált. Az első kereskedelmi forgalomba került mikroprocesszorok, mint például az Intel 4004 (1971), mindössze néhány kHz-es órajellel működtek. Ez azt jelenti, hogy másodpercenként csupán ezres nagyságrendű ciklust hajtottak végre. Az 1980-as évek elején az IBM PC megjelenésével és az Intel 8088 processzorral (amely jellemzően 4,77 MHz-en működött) az órajelfrekvencia már releváns mérőszámmá vált.

Az 1990-es években az órajelhajsza felgyorsult. Az Intel, az AMD és más gyártók folyamatosan azon dolgoztak, hogy egyre magasabb frekvenciájú processzorokat dobjanak piacra. Az Intel Pentium sorozata, majd a Pentium II és Pentium III modellek már több száz MHz-es órajellel büszkélkedhettek, és az ezredfordulón megjelentek az első gigahertz fölötti processzorok. Az órajelnövelés azonban korlátos. A magasabb frekvencián működő processzorok több hőt termelnek, mely hatékony elvezetés nélkül káros a digitális áramkörökre. Ezen kívül növekszik a teljesítményfelvétel, a digitális jelek pedig torzulhatnak. Ezek a korlátok arra kényszerítették a mérnököket, hogy alternatív megoldásokat keressenek a teljesítmény növelésére. Az órajelverseny lelassult, és a hangsúly áthelyeződött más architektúrális fejlesztésekre, mint például az utasításonkénti ciklus (IPC) növelésére, a gyorsítótárak (cache) optimalizálására és a társprocesszoros, majd a többmagos architektúrák bevezetésére.

További információk

• Dr. Kovács Magda. 32 bites mikroprocesszorok (magyar nyelven). LSI Oktatóközpont. ISBN 963-577-003-7. {{cite book}}: Check |isbn= value: checksum (súgó); Unknown parameter |subtitle= ignored (súgó)
• Ulrich Tietze (1981). Analóg és digitális áramkörök (magyar nyelven). Budapest: Műszaki Könyvkiadó. ISBN 963-10-2291-9. {{cite book}}: Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (súgó); Unknown parameter |subtitle= ignored (súgó)