Tín hiệu xung nhịp là gì?

Trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là trong các mạch kỹ thuật số đồng bộ, tín hiệu xung nhịp là một tín hiệu logic điện tử (về điện áp hoặc dòng điện) dao động giữa trạng thái cao và thấp ở một tần số cố định, được sử dụng như một máy nhịp để đồng bộ hóa các hành động của các mạch kỹ thuật số. Trong một mạch logic đồng bộ – một loại mạch kỹ thuật số phổ biến nhất – tín hiệu xung nhịp được áp dụng cho tất cả các thiết bị lưu trữ như flip-flop và latch, khiến chúng thay đổi trạng thái cùng lúc, từ đó ngăn ngừa các điều kiện tranh chấp (race condition).

Hình 1. Tín hiệu xung nhịp dao động giữa trạng thái cao và thấp

Tín hiệu xung nhịp được tạo ra bởi một bộ dao động điện tử gọi là bộ tạo xung nhịp (clock generator). Trong đó, dạng tín hiệu xung nhịp phổ biến nhất là sóng vuông với chu kỳ làm việc 50%. Các mạch sử dụng tín hiệu này để đồng bộ có thể hoạt động ở cạnh lên, cạnh xuống, hoặc cả hai (trong trường hợp sử dụng công nghệ truyền dữ liệu kép – DDR).

Tín hiệu xung nhịp được tạo ra thế nào?

Hiện nay, người ta có nhiều cách khác nhau để tạo ra tín hiệu xung nhịp, nhưng tất cả đều bắt đầu từ một cộng hưởng tinh thể (crystal resonator). Cộng hưởng tinh thể này thường được gọi tắt là tinh thể (crystal). Tinh thể hoạt động khi được kết hợp với một mạch khuếch đại để áp điện áp vào một điện cực đặt gần hoặc trực tiếp trên tinh thể. Tinh thể thạch anh là một mảnh thạch anh rất nhỏ với hai bề mặt được phủ kim loại và được nối với mạch điện. Kích thước và hình dạng vật lý của tinh thể thạch anh cần phải được cắt chính xác, vì nó sẽ quyết định tần số dao động mà tinh thể tạo ra. Một khi tinh thể đã được cắt và định hình thì nó không thể sử dụng để tạo ra tần số khác.

Tinh thể thạch anh thường được sử dụng nhiều hơn vì tần số tạo ra từ thạch anh ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ. Nếu ta thay bằng cộng hưởng RC nội bộ (internal RC resonator) thì nhiệt độ thay đổi sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của bộ dao động và dẫn đến sự thay đổi của tần số đầu ra.

Mạch kỹ thuật số

Hầu hết các mạch tích hợp (IC) có độ phức tạp cao đều sử dụng tín hiệu xung nhịp để đồng bộ hóa các phần khác nhau của mạch và được chạy ở tốc độ chậm hơn so với độ trễ truyền nội bộ tệ nhất. Đôi khi ta sẽ cần nhiều chu kỳ xung nhịp để thực hiện một hành động xác định. Khi IC ngày càng phức tạp thì việc cung cấp xung nhịp chính xác và đồng bộ cho tất cả các mạch sẽ trở nên khó khăn hơn. Ví dụ điển hình là bộ vi xử lý – một thành phần trung tâm của máy tính hiện đại – dựa vào xung nhịp từ bộ dao động tinh thể. Trong đó các mạch không đồng bộ như CPU không đồng bộ được xem là một ngoại lệ duy nhất.

Tín hiệu xung nhịp cũng có thể được gated – tức là được kết hợp với tín hiệu điều khiển để bật/tắt tín hiệu xung nhịp ở một phần cụ thể của mạch. Kỹ thuật này thường được sử dụng để tiết kiệm điện năng bằng cách tắt các phần mạch kỹ thuật số khi không sử dụng, đổi lại là sự gia tăng độ phức tạp trong phân tích thời gian. Một số loại xung nhịp phổ biến được biết đến như sau:

1. Xung nhịp một pha

Hầu hết các mạch đồng bộ hiện đại chỉ sử dụng xung nhịp một pha – tức là tất cả tín hiệu xung nhịp được truyền hiệu quả qua một dây.

2. Xung nhịp hai pha

Trong mạch đồng bộ, xung nhịp hai pha là tín hiệu xung nhịp phân phối qua hai dây với các xung không trùng nhau. Một dây gọi là pha 1 (φ1), dây còn lại là pha 2 (φ2). Do hai pha không trùng nhau, người ta có thể dùng gated latch thay vì flip-flop kích hoạt cạnh để lưu trữ thông tin. Do một latch cần ít cổng logic hơn một flip-flop, xung nhịp hai pha giúp giảm số lượng cổng logic trong thiết kế, tuy nhiên sẽ tăng độ khó và giảm hiệu suất. Trong thực tế, IC loại MOS trong những năm 1970 thường sử dụng xung nhịp hai pha, được tạo từ bên ngoài như trong các vi xử lý Motorola 6800 và Intel 8080. Các thế hệ tiếp theo tích hợp bộ tạo xung bên trong chip. Ví dụ, 8080 dùng xung 2 MHz, nhưng hiệu suất tương đương 6800 ở 1 MHz vì cần nhiều chu kỳ hơn để thực hiện một lệnh.

3. Xung nhịp bốn pha

Một số IC thời kỳ đầu thường sử dụng logic bốn pha, yêu cầu 4 tín hiệu xung nhịp tách biệt không trùng nhau, như trong các vi xử lý IMP-16 (NS), TMS9900 (TI), và MCP-1600 (Western Digital). Công nghệ này hiếm gặp ở các bộ xử lý CMOS hiện đại.

4. Bộ nhân xung nhịp (Clock Multiplier)

Nhiều máy tính hiện đại sử dụng bộ nhân xung nhịp để nhân tần số xung ngoài lên mức phù hợp cho CPU, cho phép CPU hoạt động ở tần số cao hơn nhiều so với phần còn lại, tăng hiệu năng trong các trường hợp không bị giới hạn bởi bộ nhớ hay I/O.

5. Thay đổi tần số động

Hầu hết thiết bị kỹ thuật số không cần tần số xung cố định nhưng chúng vẫn hoạt động tốt nếu thời gian giữa các cạnh xung thay đổi trong phạm vi cho phép. Một số mạch sử dụng logic tĩnh thậm chí không cần tần số xung tối đa – có thể tạm dừng và tiếp tục bất kỳ lúc nào.

Các mạch khác

Bên cạnh các mạch nêu trên, một số mạch hỗn hợp nhạy cảm như bộ chuyển đổi ADC chính xác, dùng sóng sin thay vì sóng vuông để tránh nhiễu do sóng vuông tạo ra nhiều thành phần tần số cao. Sóng sin thường là dạng vi sai (differential) để giảm độ nhiễu và tăng độ chính xác. Trong mạch CMOS, điện tích tụ và xả liên tục trong tụ điện của cổng, gây tiêu hao năng lượng ở transistor điều khiển. Một số kỹ thuật như reversible computing hay xung nhịp hình sin có thể giảm tổn hao điện năng.

Phân phối xung nhịp

Cách hiệu quả nhất để truyền xung nhịp đến mọi phần trong chip là sử dụng lưới kim loại. Trong các vi xử lý lớn, việc cấp xung nhịp có thể chiếm hơn 30% tổng điện năng tiêu thụ. Mỗi chu kỳ, toàn bộ cấu trúc phân phối này phải được nạp và xả điện. Mạng phân phối xung nhịp (hay clock tree) dẫn tín hiệu xung đến mọi nơi cần thiết. Mặc dù tín hiệu xung thường được xem như tín hiệu điều khiển đơn giản, chúng thực sự rất đặc biệt về mặt kỹ thuật: cần sắc nét, ít nhiễu, có fanout cao và độ trễ nhỏ.

Tín hiệu xung là yếu tố giới hạn hiệu suất hệ thống đồng bộ nếu không được thiết kế chuẩn. Việc lệch pha (skew) có thể gây điều kiện tranh chấp. Các hệ thống đồng bộ thường có chuỗi các thanh ghi xen kẽ với logic tổ hợp. Mỗi tầng logic thêm độ trễ cần phân tích và xử lý. Kỹ thuật như đưa thêm thanh ghi pipeline giúp đảm bảo thời gian tối đa không bị vi phạm.

‍