Hodiny reálného času - Real-time clock

Nesmí být zaměňována s výpočty v reálném čase .
Hodiny reálného času Dallas Semiconductor DS1287 vyrobené v roce 1988
Typy nadstandardních modulů RTC komerčně dostupných z Číny

Hodiny reálného času ( RTC ) je elektronické zařízení (nejčastěji ve formě integrovaného obvodu ), který měří plynutí času.

Ačkoli se tento termín často vztahuje na zařízení v osobních počítačích , serverech a vestavěných systémech , RTC jsou přítomny téměř v každém elektronickém zařízení, které potřebuje udržovat přesnou denní dobu .

Terminologie

Termín hodiny v reálném čase se používá k zamezení záměny s běžnými hardwarovými hodinami, které jsou pouze signály, které řídí digitální elektroniku , a nepočítají čas v lidských jednotkách. RTC by nemělo být zaměňováno s výpočty v reálném čase , které sdílejí svou třípísmennou zkratku, ale nesouvisí přímo s denní dobou.

Účel

Přestože udržování času lze provést bez RTC, jeho použití má výhody:

  • Nízká spotřeba energie (důležité při provozu na alternativní napájení)
  • Uvolňuje hlavní systém pro časově kritické úkoly
  • Někdy přesnější než jiné metody

GPS přijímač může zkrátit její spuštění porovnáním aktuální čas, v závislosti na jeho RTC s okamžiku, kdy naposledy měla platný signál. Pokud to bylo méně než několik hodin, pak je předchozí efemerida stále použitelná.

Některé základní desky jsou vyráběny bez hodin reálného času. Hodiny reálného času jsou vynechány buď z touhy ušetřit peníze (jako v architektuře systému Raspberry Pi ), nebo proto, že hodiny v reálném čase nemusí být vůbec potřeba (jako v architektuře systému Arduino ).

Zdroj energie

Lithiová baterie uvnitř hodin reálného času IC

RTC mají často alternativní zdroj energie, takže si mohou i nadále udržovat čas, když je primární zdroj energie vypnutý nebo nedostupný. Tento alternativní zdroj energie je ve starších systémech obvykle lithiová baterie , ale některé novější systémy používají superkondenzátor , protože jsou dobíjecí a lze je pájet . Alternativní zdroj energie může také napájet RAM zálohovanou baterií .

Načasování

Většina RTC používá krystalový oscilátor , ale některé mají možnost použít frekvenci elektrického vedení . Krystalová frekvence je obvykle 32,768 kHz, stejná frekvence používaná v křemenných hodinách a hodinkách . Je to přesně 2 15 cyklů za sekundu, což je výhodné pro použití s ​​jednoduchými obvody binárních čítačů. Nízká frekvence šetří energii a přitom zůstává nad dosahem lidského sluchu . Quartzová ladicí vidlice těchto krystalů příliš nemění velikost od teploty, takže teplota její frekvenci příliš nemění.

Některé RTC používají mikromechanický rezonátor na křemíkovém čipu RTC. To snižuje velikost a náklady na RTC snížením počtu jeho částí. Mikromechanické rezonátory jsou mnohem citlivější na teplotu než křemenné rezonátory. Ty tedy kompenzují změny teploty pomocí elektronického teploměru a elektronické logiky.

Typické specifikace přesnosti krystalů RTC jsou od ± 100 do ± 20 dílů na milion (8,6 až 1,7 sekundy za den), ale teplotně kompenzované integrované obvody RTC jsou k dispozici s přesností na méně než 5 dílů na milion. V praxi to stačí k provádění nebeské navigace , což je klasický úkol chronometru . V roce 2011 byly k dispozici atomové hodiny v čipovém měřítku . Přestože jsou výrazně dražší a mají větší spotřebu energie (120 mW vs. <1 μW), udržují čas v rozmezí 50 dílů na bilion (5 × 10 −11 ).

Příklady

Hodiny reálného času Dallas Semiconductor (DS1387) ze staršího počítače. Tato verze také obsahuje SRAM zálohovaný baterií.
Čip Dallas DS1307 RTC v balíčku DIP-8

Mnoho výrobců integrovaných obvodů vyrábí RTC, včetně Epson , Intersil , IDT , Maxim , NXP Semiconductors , Texas Instruments , STMicroelectronics a Ricoh . Běžným RTC používaným v počítačích s jednou deskou je Maxim Integrated DS1307.

RTC byl představen na PC kompatibilní s IBM PC/AT v roce 1984, který používal Motorola MC146818 RTC. Později společnost Dallas Semiconductor vyrobila kompatibilní RTC, které se často používaly ve starších osobních počítačích , a lze je snadno najít na základních deskách díky výraznému černému víčku baterie a logu se sítotiskem .

V novějších počítačových systémech je RTC integrován do čipu southbridge .

Některé mikrokontroléry mají zabudované hodiny v reálném čase, obvykle pouze ty, které mají mnoho dalších funkcí a periferií .

Rádiové RTC

Některé moderní počítače přijímají informace o hodinách digitálním rádiem a používají je k propagaci časových standardů. Existují dvě běžné metody: Většina protokolů mobilních telefonů (např. LTE ) přímo poskytuje aktuální místní čas. Pokud je k dispozici internetové rádio, může počítač používat protokol síťového času . Počítače používané jako lokální časové servery příležitostně používají GPS nebo ultranízkofrekvenční rádiové přenosy vysílané národní normalizační organizací (tj. Rádiové hodiny ).

Softwarové RTC

Následující systém je dobře známý programátorům vestavěných systémů , kteří někdy musí konstruovat RTC v systémech, které je nemají. Většina počítačů má jeden nebo více hardwarových časovačů, které používají časovací signály z křemenných krystalů nebo keramických rezonátorů . Ty mají nepřesné absolutní načasování (více než 100 dílů na milion), které je přesto velmi opakovatelné (často méně než 1 ppm). Software může udělat matematiku, aby z nich vytvořil přesné RTC. Hardwarový časovač může vytvářet periodické přerušení, např. 50  Hz , pro napodobení historického RTC (viz níže). K nastavení přesnosti rozvodového řetězce však používá matematiku:

čas = čas + sazba.

Když proměnná „čas“ překročí konstantu, obvykle mocninu dvou, je od „času“ odečten nominální, vypočítaný hodinový čas (řekněme na 1/50 sekundy) a vyvolá se software časovacího řetězce hodin Počet zlomků sekundy, sekundy, apod 32- bitových proměnných na času a rychlosti, matematické řešení „rychlosti“ může překročit jeden díl miliardu. Hodiny zůstávají přesné, protože občas přeskočí zlomek sekundy nebo přírůstek o dva zlomky. Drobný skok („ jitter “) je nepostřehnutelný pro téměř všechna skutečná použití RTC.

Složitost tohoto systému určuje okamžitou korigovanou hodnotu pro proměnnou „sazba“. Nejjednodušší systém sleduje sekundy RTC a referenční sekundy mezi dvěma nastaveními hodin a dělí referenční sekundy sekundami RTC, aby našel „rychlost“. Internetový čas je často přesný na méně než 20 milisekund, takže 8000 nebo více sekund (2,2 nebo více hodin) oddělení mezi nastaveními může obvykle rozdělit čtyřicet milisekund (nebo méně) chyby na méně než 5 částí na milion, aby se zobrazil jako chronometr přesnost. Hlavní složitostí tohoto systému je převod dat a časů na počty sekund, ale metody jsou dobře známy.

Pokud RTC běží, když je jednotka vypnutá, obvykle RTC poběží se dvěma rychlostmi, jednou, když je jednotka zapnutá, a druhou, když je vypnutá. Důvodem je, že teplota a napájecí napětí v každém stavu jsou konzistentní. Aby bylo možné tyto stavy upravit, software vypočítá dvě sazby. Nejprve software zaznamená čas RTC, referenční čas, sekundy a sekundy vypnuté pro dva intervaly mezi posledními třikrát, kdy jsou hodiny nastaveny. Pomocí toho může měřit přesnost dvou intervalů, přičemž každý interval má jiné rozdělení sekund zapnutí a vypnutí. Matematika rychlosti řeší dvě lineární rovnice pro výpočet dvou rychlostí, jedné pro zapnuté a druhé pro vypnuté.

Jiný přístup měří teplotu krystalu elektronickým teploměrem (např. Termistorem a převodníkem analogového signálu na digitální ) a pomocí polynomu vypočítává „rychlost“ přibližně jednou za minutu. Nejběžnějšími křemennými krystaly v systému jsou krystaly broušené SC a jejich rychlost při teplotě lze charakterizovat polynomem 3. stupně. U těchto se tedy rychlost měří při čtyřech teplotách. Běžné krystaly ve stylu ladičky používané v hodinkách a mnoha komponentách RTC mají parabolické (2. stupně) teplotní rovnice a lze je charakterizovat pouze třemi měřeními. Potom může lineární regrese najít rovnici teploty. Něco jako tento přístup může být použito v komerčních integrovaných obvodech RTC, ale skutečné metody efektivní vysokorychlostní výroby jsou patentované.

Historické RTC

Některé starší počítačové konstrukce, jako jsou Novas a PDP-8, používaly hodiny v reálném čase, které se vyznačovaly vysokou přesností, jednoduchostí, flexibilitou a nízkými náklady. Napájecí zdroj počítače vytváří puls při logických napětích buď pro každou půlvlnu, nebo pro každé nulové překročení sítě střídavého proudu. Drát přenáší puls do přerušení. Software obsluhy přerušení počítá cykly, sekundy atd. Tímto způsobem může poskytnout celé hodiny a kalendář.

Hodiny také obvykle tvořily základ řetězců časování softwaru pro počítače; např. obvykle to byl časovač používaný k přepínání úkolů v operačním systému. Časovače počítání používané v moderních počítačích poskytují podobné funkce při nižší přesnosti a mohou sledovat své požadavky na tento typ hodin. (např. v PDP-8 byly na prvním místě síťové hodiny, model DK8EA, a později následovaly hodiny na bázi krystalů, DK8EC.)

Softwarové hodiny musí být nastaveny při každém zapnutí počítače. Původně to dělali počítačoví operátoři. Když se internet stal samozřejmostí, k automatickému nastavování hodin tohoto typu se používaly protokoly síťového času .

V Evropě, Severní Americe a některých dalších sítích tento RTC funguje, protože frekvence sítě AC je upravena tak, aby měla dlouhodobou frekvenční přesnost stejně dobrou jako národní standardní hodiny. To znamená, že v těchto sítích je tento RTC lepší než křemenné hodiny a méně nákladný.

Tato konstrukce RTC není praktická v přenosných počítačích nebo sítích (např. V jižní Asii), které neregulují frekvenci sítě AC. Také by to mohlo být považováno za nepohodlné bez přístupu k internetu pro nastavení hodin.

Viz také

Reference

externí odkazy