Sinal de relógio (clock)

Sinais elétricos pulsantes emitidos por um oscilador que são convertidos em ondas quadradas responsáveis por sincronizar os componentes de um sistema.

Categoria de Tecnologia

Postado em 11 fevereiro 2023

Atualizado em 11 fevereiro 2023

Palavras-chave: pipeline,processador,sinal,onda,sincronizar,sistema,componente,cpu

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Assim como o corpo humano, o computador possui vários componentes com um papel diferente em um sistema. O processador do computador seria o cérebro e os dispositivos de entrada seriam os sentidos. Além disso, assim como um ser vivo, o computador também possui uma espécie de coração que pulsa sinais elétricos para o circuito interno da máquina, o clock.

O que é clock?

A expressão clock, se traduzida ao pé da letra, torna-se “relógio”. Mas a tradução correta para o português seria “sinal de relógio”.

O sinal de relógio é uma medida de velocidade que o processador de um sistema computacional pode operar. Ele é usado para enviar pulsos de sinais digitais para os circuitos internos do sistema. Esses sinais digitais são representados por ondas quadradas, ou seja, valores binários de zero e um.

ondas quadradas clock

A quantidade de ondas em um determinado período de tempo é medido com a frequência. A frequência de um sinal de relógio é medida em Hertz (Hz), métrica que representa o número de ciclos por segundo. Como mostrado na imagem acima, um ciclo é uma volta completa na onda, desde o ponto mais baixo até o ponto mais alto.

O clock é usado para controlar o ritmo da operação no sistema. Ele envia pulsos elétricos para todo o sistema computacional, desde o processador até os dispositivos de entrada e saída. Assim, sendo responsável por garantir que as operações ocorram de forma sincronizada.

Qual é o componente responsável pelo clock?

O componente responsável pelo clock do computador é o oscilador. O oscilador pode ser interno e já integrado ao microcontrolador ou pode ser um cristal oscilador separado, que também é chamado de cristal piezoelétrico. Geralmente, um oscilador separado é mais preciso do que um oscilador interno.

cristal clock oscilador

Um cristal oscilador separado pode ser observado no raspberry pi como mostra a imagem abaixo:
cristal clock oscilador no raspberry pi pico 2020

O oscilador não emite ondas quadradas. As ondas emitidas pelo oscilador são senoidais. Para a onda se tornar quadrada ela precisa passar por um circuito com amplificador e resistor. A amplificação usa uma tensão como referência com valor zero e converte o valor de entrada em ondas quadradas como mostra a imagem abaixo. Em seguida, um resistor polariza o sinal de saída.

onda senoide e onda quadrada

Assim, as ondas senoidais são transformadas em ondas quadradas que mudam entre dois estados distintos, tensão elétrica baixa e alta.

Exemplos de clock na vida real

Quanto maior a frequência do clock mais tarefas podem ser executadas pelo processador. Em outras palavras, quanto maior a medida em Hertz, mais veloz o computador se torna. Alguns exemplos de frequências são:

Processador Frequência
Intel Core i3 2,4 GHz ~ 3,9 GHz
Intel Core i5 2,5 GHz ~ 4,8 GHz
AMD Ryzen 3 3,5 GHz ~ 4,0 GHz
AMD Ryzen 5 3,6 GHz ~ 4,7 GHz

O clock não é o único fator que define a velocidade e eficiência de
uma máquina.

O processador Intel Core i3 pode operar em uma frequência mínima de 2,4GHz. Isso é 2 bilhões e 400 milhões de ciclos por segundo. São mais de 2 bilhões de pulsos elétricos por segundo. O tempo de 1 ciclo pode ser medido com a fórmula abaixo:

  • Tempo de 1 ciclo = 1 / Frequência de clock

Logo, o tempo de 1 ciclo em um processador Intel Core i3 operando na frequência mínima pode ser calculado da seguinte forma:

  • Tempo de 1 ciclo = 1 / 2.400.000.000
  • Tempo de 1 ciclo = 1 / 2.400.000.000
  • Tempo de 1 ciclo = 0,000000000416667 segundos
  • Tempo de 1 ciclo = 0,41 nanosegundos

O resultado é 0,4 nanosegundos para enviar um pulso elétrico para todos os circuitos do sistema. A tabela de conversão de nanosegundos pode ser conferida abaixo:

Segundos Nanosegundos
0,01s 10000000ns
0,1s 100000000ns
1s 1000000000ns

Unidade de medida bastante relacionada com a frequência de clock

A medida MIPS é bastante relacionada em conjunto com a frequência de clock. MIPS (Millions of Instructions Per Second) em português, milhões de instruções por segundo. Essa medida determina quantas instruções um processador pode executar em um segundo.

Segundo o site Fandom, os computadores da Intel de 2014 já eram capazes de alcançar 238,310 MIPS em 3.0 GHz. O Univac 1, projetado em 1951 rodava 0,002 MIPS em 2,25 MHz. E o supercomputador da Fujitsu desenvolvido em 2011, o computador K rodava 10,000,000,000 MIPS (10 bilhões) em 2 GHz.

Entretanto, o MIPS e a frequência de clock não são os únicos fatores que definem a velocidade de uma máquina. Outros fatores como pipeline e memória RAM também devem ser levados em consideração.

Conclusão

O sinal de relógio é responsável por mandar sinais elétricos pulsantes aos circuitos internos da máquina, fazendo com que os componentes do sistema operem de forma sincronizada. A origem desses sinais em muitos casos é o cristal oscilador que emite ondas senoidais que são convertidas em ondas quadradas no caminho. A quantidade de pulsos em cada segundo é medido em Hertz (Hz), que é a unidade métrica da frequência do sistema.

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