La plupart des circuits intégrés (CI) de complexité suffisante utilisent un signal d’horloge afin de synchroniser différentes parties du circuit, à un rythme plus lent que les retards de propagation internes du pire des cas. Dans certains cas, plus d’un cycle d’horloge est nécessaire pour effectuer une action prévisible. À mesure que les circuits intégrés deviennent plus complexes, le problème de la fourniture d’horloges précises et synchronisées à tous les circuits devient de plus en plus difficile. L’exemple prééminent de telles puces complexes est le microprocesseur, composant central des ordinateurs modernes, qui repose sur une horloge provenant d’un oscillateur à cristal. Les seules exceptions sont les circuits asynchrones tels que les processeurs asynchrones.
Un signal d’horloge peut également être fermé, c’est-à-dire combiné à un signal de commande qui active ou désactive le signal d’horloge pour une certaine partie d’un circuit. Cette technique est souvent utilisée pour économiser de l’énergie en arrêtant efficacement des parties d’un circuit numérique lorsqu’elles ne sont pas utilisées, mais elle se fait au prix d’une complexité accrue dans l’analyse temporelle.
Horloge monophasedit
La plupart des circuits synchrones modernes utilisent uniquement une « horloge monophasée » – en d’autres termes, tous les signaux d’horloge sont (effectivement) transmis sur 1 fil.
Horloge biphaséedit
Dans les circuits synchrones, une « horloge biphasée » désigne des signaux d’horloge répartis sur 2 fils, chacun avec des impulsions non superposées. Traditionnellement, un fil est appelé « phase 1 » ou « φ1 », l’autre fil porte le signal « phase 2 » ou « φ2 ». Étant donné que les deux phases sont garanties sans chevauchement, des verrous fermés plutôt que des bascules déclenchées par les bords peuvent être utilisés pour stocker des informations d’état tant que les entrées des verrous d’une phase ne dépendent que des sorties des verrous de l’autre phase. Étant donné qu’un verrou fermé n’utilise que quatre portes contre six portes pour une bascule déclenchée par un bord, une horloge à deux phases peut conduire à une conception avec un nombre global de portes plus petit mais généralement à une certaine pénalité en termes de difficulté de conception et de performances.
Les MOS IC utilisaient généralement des signaux d’horloge doubles (une horloge à deux phases) dans les années 1970. Ceux-ci ont été générés en externe pour les microprocesseurs 6800 et 8080. La prochaine génération de microprocesseurs incorporait la génération d’horloge sur puce. Le 8080 utilise une horloge de 2 MHz mais le débit de traitement est similaire au 1 MHz 6800. Le 8080 nécessite plus de cycles d’horloge pour exécuter une instruction de processeur. Le 6800 a une fréquence d’horloge minimale de 100 kHz et le 8080 a une fréquence d’horloge minimale de 500 kHz. Des versions plus rapides des deux microprocesseurs ont été publiées en 1976.
Le 6501 nécessite un générateur d’horloge externe à 2 phases.Le MOS Technology 6502 utilise la même logique à 2 phases en interne, mais comprend également un générateur d’horloge à deux phases sur puce, il n’a donc besoin que d’une entrée d’horloge monophasée, ce qui simplifie la conception du système.
Horloge à 4 phaseSdit
Certains premiers circuits intégrés utilisent une logique à quatre phases, nécessitant une entrée d’horloge à quatre phases composée de quatre signaux d’horloge séparés, sans chevauchement.Cela était particulièrement courant parmi les premiers microprocesseurs tels que le National Semiconductor IMP-16, Texas Instruments TMS9900 et le chipset Western Digital WD16 utilisé dans le DEC LSI-11.
Les horloges à quatre phases n’ont que rarement été utilisées dans les nouveaux processeurs CMOS tels que le microprocesseur MultiTitan DEC WRL. et dans la technologie Fast14 d’Intrinsity. La plupart des microprocesseurs et microcontrôleurs modernes utilisent une horloge monophasée.
multiplicaTeur d’horloge
De nombreux micro-ordinateurs modernes utilisent un « multiplicateur d’horloge » qui multiplie une horloge externe de fréquence inférieure à la fréquence d’horloge appropriée du microprocesseur. Cela permet au processeur de fonctionner à une fréquence beaucoup plus élevée que le reste de l’ordinateur, ce qui permet des gains de performances dans des situations où le processeur n’a pas besoin d’attendre un facteur externe (comme la mémoire ou l’entrée / sortie).
Changement de fréquence dynamiquedit
La grande majorité des appareils numériques ne nécessitent pas d’horloge à un niveau fixe et constant frequency.As tant que les périodes d’horloge minimale et maximale sont respectées, le temps entre les fronts d’horloge peut varier considérablement d’un front à l’autre et inversement.De tels dispositifs numériques fonctionnent tout aussi bien avec un générateur d’horloge qui change dynamiquement sa fréquence, comme la génération d’horloge à spectre étalé, la mise à l’échelle dynamique des fréquences, etc.Les dispositifs qui utilisent la logique statique n’ont même pas de période d’horloge maximale (ou en d’autres termes, de fréquence d’horloge minimale); de tels dispositifs peuvent être ralentis et mis en pause indéfiniment, puis repris à pleine vitesse d’horloge à tout moment ultérieur.