Was genau versteht man unter einem Takt?

[wuselsurfer]

also kann man zum Fazit sagen , dass die Taktrate eifnach nur die Änderung der Spannung/Signale an den Eingängen der Gatter beschreibt (und je nach Aufgabe werden dann dafür andere Gatter verwendet aber das ist ein anderes Thema)?

So ungefähr stimmt das.

Der System-Takt wird in einer Generatorschaltung erzeugt.
Da schwingt ein Quarzkristall mit Elektroden drauf hin und her

Quarzoszillator – Wikipedia

de.wikipedia.org

und gibt somit eine Sinuswelle ab:

.
https://de.wikipedia.org/wiki/Rechteckschwingung .

Dann macht eine Schaltung daraus eine Rechteckschwingung (fast):

.
Die kann man so einstellen, daß die Pegel oben H(igh)=1 und unten L(ow) = 0 sind.

Das ist der Systemtakt.

Damit werden verschiedene BUS-Leitungen im PC beaufschlagt.

Man unterscheidet im heutigen PC mit von-Neumann-Architektur

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/%22von_Neumann%22_Architektur_de.svg

den
- Daten-,
- Adress und
- Steuerbus.

Ein Bus ist ein Leitungsbündel, so wie im Auto der Kabelstrang.

Alle wichtigen Baugruppen im PC und selbst in der CPU sind an diese 3 Busse angeschlossen.

Die Hauptrechenarbeit im PC macht heutzutage der mathematische Coprozessor.
Der sitzt in der CPU im Rechenwerk.
Die CPU besteht hauptsächlich aus Steuerwerk, Rechenwerk, Speicher und Ein/Ausgabeinheiten

Früher war das ein eigener Schaltkreis mit der "7" hintendran (287, 387).

Mit dem 486er Intel war der in der CPU mit drin:
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Datei:Intel_80486_DX2_die_areas.jpg .
Der Bereich 7 ist der Co-Prozessor.

Je nach Befehl liegen an den Datenleitungen des Coprozessors die zu verarbeitenden Daten an.
Mit der Taktflanke 0 - 1 schalten die Rechenwerke ein und verarbeiten bei freigegebenem Steuersignal auf den Steuerbus zum Beispiel die Binärsignale Z1 + Z2 = Z3.
Z3 als Ergebnis liegt am Datenbus in 64bit Breite dann an.

Wenn die CPU das Ergebnis braucht, wird es dort über ein Steuersignal abgerufen.
Da die Busse an allen benötigten Teilen angeschlossen sind, liegt das Signal sofort nach Berechnung an der CPU und kann von dort in den Speicher oder in ein internes Register kopiert werden.

Die internen Register (Speicherplätze) der CPU sind heute 64bit breit, deshalb sprechen wir von 64bit Computern.

So funktioniert das mit Hilfe der Steuersignale des Steuerwerks in der CPU bei allen an den Bus angeschlossenen Baugruppen.
Wie man sieht, sind die Busse extrem wichtig im PC.

Es gibt auch Baugruppen, die langsamer laufen (PCIe-Bus, USB, ...).
Da wird der Takt "einfach" elektronisch geteilt.

Wenn irgendetwas schneller als die CPU laufen soll (WLAN) oder mit "krummer" Frequenz, setzt man häufig einen eigenen Quarzgenerator mit eigener Frequenz ein.


Edit: Rechtschreibung, Formatierung

Das Feld für Editeirungsoptionen fehlt immer noch im Editorfenster.

 

[Pfranzy]

Der Takt dient der Steuerung dessen. Immer dann, wenn der Takt anliegt, wird eingelesen. So hat man kontrollierte und abgestimmte Vorgänge.

Also ist so , dass der Takt einfach nur die Daten einlassen lässt? Aber warum hat man dann kein Konstanten Takt und warum wird dann mit Takt beschrieben, mit welcher Geschwindigkeit die Signale an den jeweiligen Eingängen des Gatters anliegt ?

 

[Gast1772925001]

Immer, wenn der Takt anliegt, kann eine Änderung erfolgen. Ist der Takt schneller können pro Zeiteinheit mehr Änderungen erfolgen. Daher werden z.B. auch RAM-Riegel gerne übertaktet.
Bei der CPU ist es ähnlich, denn immer dann, wenn der Takt anliegt, wird eine neue Instruktion verarbeitet.
Umso höher der Takt ist, umso komplizierter wird die Schaltung, weil dann Signallaufzeiten und Überlagerungen (Nebensprechen)immer mehr zum Problem werden.

 

[wuselsurfer]

Also ist so , dass der Takt einfach nur die Daten einlassen lässt? Aber warum hat man dann kein Konstanten Takt und warum wird dann mit Takt beschrieben, mit welcher Geschwindigkeit die Signale an den jeweiligen Eingängen des Gatters anliegt ?

Lies mal bitte erst Beitrag #21, mit Links bitte.
Da steht wirklich fast alles.

Immer, wenn der Takt anliegt, kann eine Änderung erfolgen. Ist der Takt schneller können pro Zeiteinheit mehr Änderungen erfolgen. Daher werden z.B. auch RAM-Riegel gerne übertaktet.

Beim RAM ist das wesentlich komplizierter:
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:DRAM_Burst_Read_SDRAM.png .
Je nach Anliegen der bestimmten Steuersignale gibt es da Lese- und Schreibzeiten.
Das RAM-Protokoll muß eingehalten werden beim meist verwendeten D-RAM.

Natürlich git: je schneller, je mehr - so lange. wie es die MMU (Speichersteuerelektronik) mitmacht.

Bei der CPU ist es ähnlich, denn immer dann, wenn der Takt anliegt, wird eine neue Instruktion verarbeitet.

Auch da greifen die Steuersignale, nicht nur der Systemtakt.
Ohne anliegendes EXECUTE-, FETCH- DECODE-Signal macht die CPU gar nichts.

 

[Incredible Alk]

Aber warum hat man dann kein Konstanten Takt

Das hat keine rechentechnischen Gründe sondern energetische. Natürlich funktioniert alles mit konstantem Takt und das war auch jahrzehntelang so geregelt. Nur ist der Energieverbrauch halt unnötig hoch wenn der Takt oben gehalten wird obwohl nichts berechnet wird (auch Leerzyklen verbrauchen Energie, warum das so ist ist ein anderes Thema). Deswegen passt man heutzutage Taktraten dynamisch an, hauptsächlich um Energie zu sparen wenn grade nichts zu tun ist oder aber auch um sich Art und Höhe der Last, dem momentanen Stromverbrauch oder der aktuellen Temperatur anzupassen. Taktraten sind heute über zig Parameter sehr fein und schnell geregelt um für jeden Betriebszustand eines Chips die möglichst optimale Taktrate zu treffen. Das ist das, was man als "P-States" oder "Boosts"/"Turbos" usw. kennt.

 

[wuselsurfer]

auch Leerzyklen verbrauchen Energie, warum das so ist ist ein anderes Thema

Die Takte werden halt erzeugt, verstärkt und weitergeleitet.
Das geschieht mit Schaltkreisen über das Bussystem, die Energie verbrauchen.

Früher sah man das:

,
heute sitzen die Bustreiber meist in der North- und Southbbridge.

Einige einzelne sind bestimmt noch auf dem Mainbord beim PCIe-Bus, aber ich kann nicht genau sagen, wo sie sitzen.

Wenn man die runtertaktet und die Spannung senkt, wird eben Energie gespart.
Und der Energiebedarf steigt linear mit der Frequenz und quadratisch mit der Spannung.


Edit: Ergänzung.

 

[Pfranzy]

@wuselsurfer @Incredible Alk
also ist das jetzt so , dass der Takt "kontrollierte Stromstöße " für (u.a) die komplette CPU ist und damit keine Probleme auftauchen, hatte die ganze CPU einen Takt? Z.B wenn ein Befehl ausgeführt werden soll, wird in den ersten Takt(können auch mehrere Take sein)die Transitoren umgeschaltet und dann in den gleichen Takt oder in einen nächsten Takt, wird dann der Befehl erst "richtig bzw. weiter" ausgeführt? (grob gesagt)

 

[wuselsurfer]

@wuselsurfer @Incredible Alk
also ist das jetzt so , dass der Takt "kontrollierte Stromstöße " für (u.a) die komplette CPU ist und damit keine Probleme auftauchen, hatte die ganze CPU einen Takt?

Zur Zeit laufen alle Teile der CPU mit einem Takt, wen ich mich nicht irre.

Z.B wenn ein Befehl ausgeführt werden soll, wird in den ersten Takt(können auch mehrere Take sein)die Transitoren umgeschaltet

Richtig.

und dann in den gleichen Takt

Im gleichen Takt wird meist immer nur ein Befehl ausgeführt.

Es gibt allerdings Befehlsketten, die parallel laufen (superskalare Befehlsausführung), wo mehrere Befehle mit einer Taktflanke abgearbeitet werden im Rechenwerk.

Wann liest du endlich die Links?

 

[Pfranzy]

Wann liest du endlich die Links?

ich habe die Links alle gelesen . Ich habe das nur nicht verstanden sonste hätte ich doch nicht gefragt .
Aber jetzt habe ich ja das eigentlich so ein bisschen verstanden. Danke euch!

 

[wuselsurfer]

ich habe die Links alle gelesen .

Dafür hab ich ja schon viel Zeit gebraucht und ich hab 12 Semester Elektronik studiert.

Aber wenn der Nebel sich jetzt etwas gelichtet hat, ist das Ziel erreicht.