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Taktsignal

In der Elektronik, speziell der Digitaltechnik, ist ein Taktsignal (engl. Clock signal, in Zeichnungen und Diagrammen häufig mit CLK bezeichnet) ein Boolesches Signal, das der Koordination der Aktionen in zwei oder mehr Schaltkreisen dient und von einem Taktgenerator erzeugt wird. Das Taktsignal oszilliert dabei zwischen einem hohen und einem niedrigen Status und wird durch die Taktfrequenz (engl. clock rate) charakterisiert (Taktfrequenz = 1/Periodendauer). Die Schaltkreise, die das Taktsignal zur Synchronisierung benutzen, können je nach Bauart entweder während der steigenden oder der fallenden Flanke des Signals aktiv werden, man spricht dabei von Flankensteuerung oder Flankentriggerung.

Die meisten komplexeren integrierten Schaltkreise erfordern ein Taktsignal, um unterschiedliche Teile des Chips zu synchronisieren und Gate-Delays auszugleichen. Da Chips immer komplexer werden, wird die Lieferung akkurater und überall gleicher Takte an alle Schaltkreise immer schwieriger. Das Paradebeispiel für solche komplexen Chips sind Mikroprozessoren, die zentralen Bestandteile moderner Computer. Für die verwendeten Transistoren wird häufig die Frequenz angegeben, bis zu der eine Verstärkung eines kleinen Signals möglich ist. Diese liegt etwa 10 mal höher als die Taktfrequenz.

Die Taktfrequenz von Prozessoren

Mit der Taktfrequenz bezeichnet man den Rhythmus, in dem Daten in Computern verarbeitet werden. Sie wird in Hertz (Hz) angegeben. Da die Frequenz moderner Prozessoren mehrere Milliarden Hertz beträgt, werden die Zahlen oft mit Hilfe von Vorsätzen wie Giga (G) für Milliarden oder Mega (M) für Millionen abgekürzt (in Eingebetteten Systemen sind aber teilweise auch kHz üblich). Zum Beispiel bedeutet eine Taktfrequenz von 1 GHz eine Taktperiode von 1 Nanosekunde. Der Datendurchsatz eines Prozessors ergibt sich aus der Taktfrequenz und der Datenrate seiner Anbindung an den Hauptspeicher. Die Rechenleistung (gemessen zum Beispiel in MIPS oder FLOPS) ist nicht, wie manchmal angenommen, nur von der Taktfrequenz, sondern auch von der gesamten Architektur des Prozessors abhängig. Selbst bei Prozessoren, die den gleichen Befehlssatz verwenden, können sich bei gleicher Taktfrequenz gravierende Rechenleistungsunterschiede zeigen, deren Ursache zum Beispiel in der IPC-Rate (IPC: Instructions per cycle, Instruktionen pro Takt), firmenspezifischen Merkmalen (zum Beispiel SIMD-Erweiterungen) oder in der bereits angesprochenen Speicherbandbreite begründet liegen kann. Die IPC-Rate gibt an, wieviele Instruktionen ein Prozessor durch Parallelisierung gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Takt mehr Rechenoperationen und berechnet daher schneller.