Sinal de relógio (clock)

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.

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.

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

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.

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:

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:

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.