Часы реального времени - Real-time clock

Не путать с вычислениями в реальном времени .
Часы реального времени Dallas Semiconductor DS1287, 1988 г.в.
Типы модулей RTC для любителей, коммерчески доступных из Китая

Часы реального времени ( RTC ) представляет собой электронное устройство (чаще всего в виде интегральной схемы ) , который измеряет течение времени.

Хотя этот термин часто относится к устройствам в персональных компьютерах , серверах и встроенных системах , часы реального времени присутствуют практически в любом электронном устройстве, которое должно указывать точное время суток .

Терминология

Термин часы реального времени используется, чтобы избежать путаницы с обычными аппаратными часами, которые являются только сигналами, которые управляют цифровой электроникой , и не считают время в единицах измерения человека. RTC не следует путать с вычислениями в реальном времени , которые имеют трехбуквенную аббревиатуру, но не имеют прямого отношения к времени суток.

Цель

Хотя учет времени может выполняться без RTC, его использование имеет преимущества:

  • Низкое энергопотребление (важно при работе от переменного тока)
  • Освобождает основную систему для срочных задач
  • Иногда точнее других методов

GPS - приемник может сократить время его запуска, сравнивая текущее время, в соответствии с его РТК, со временем , на котором он последний имел действительный сигнал. Если прошло менее нескольких часов, то можно использовать предыдущие эфемериды .

Некоторые материнские платы сделаны без часов реального времени. Часы реального времени не используются либо из желания сэкономить (как в системной архитектуре Raspberry Pi ), либо потому, что часы реального времени могут вообще не понадобиться (как в системной архитектуре Arduino ).

Источник питания

Литиевая батарея внутри микросхемы часов реального времени

RTC часто имеют альтернативный источник питания, поэтому они могут продолжать отсчитывать время, пока основной источник питания выключен или недоступен. Этим альтернативным источником питания обычно является литиевая батарея в старых системах, но в некоторых новых системах используется суперконденсатор , поскольку они перезаряжаемые и их можно паять . Альтернативный источник питания также может подавать питание на оперативную память с батарейным питанием .

Сроки

В большинстве RTC используется кварцевый генератор , но в некоторых есть возможность использовать частоту линии электропередачи . Частота кристалла обычно составляет 32,768 кГц, такая же частота используется в кварцевых часах и часах . Ровно 2 15 циклов в секунду, это удобная скорость для использования с простыми схемами двоичного счетчика. Низкая частота экономит электроэнергию, оставаясь при этом выше диапазона человеческого слуха . Кварцевый камертон этих кристаллов не сильно меняет размер в зависимости от температуры, поэтому температура не сильно меняет свою частоту.

Некоторые RTC используют микромеханический резонатор на кремниевом кристалле RTC. Это уменьшает размер и стоимость RTC за счет уменьшения количества его частей. Микромеханические резонаторы намного более чувствительны к температуре, чем кварцевые резонаторы. Таким образом, они компенсируют изменения температуры с помощью электронного термометра и электронной логики.

Типичные характеристики точности кварцевых часов реального времени составляют от ± 100 до ± 20 частей на миллион (от 8,6 до 1,7 секунды в день), но доступны ИС RTC с температурной компенсацией с точностью менее 5 частей на миллион. С практической точки зрения этого достаточно для выполнения астрономической навигации - классической задачи хронометра . В 2011 году стали доступны атомные часы в масштабе микросхемы . Хотя они намного дороже и потребляют много энергии (120 мВт против <1 мкВт), они сохраняют время в пределах 50 частей на триллион (5 × 10 −11 ).

Примеры

Часы реального времени Dallas Semiconductor (DS1387) со старого ПК. Эта версия также содержит SRAM с батарейным питанием.
Микросхема Dallas DS1307 RTC в корпусе DIP-8

Многие производители интегральных схем производят RTC, включая Epson , Intersil , IDT , Maxim , NXP Semiconductors , Texas Instruments , STMicroelectronics и Ricoh . Обычный RTC используется в одноплатных компьютерах является Maxim Integrated DS1307.

RTC был представлен для совместимых с ПК IBM PC / AT в 1984 году, в котором использовался Motorola MC146818 RTC. Позже компания Dallas Semiconductor создала совместимые RTC, которые часто использовались в старых персональных компьютерах и которые легко найти на материнских платах из-за их характерной черной крышки батарейного отсека и шелкографии .

В более новых компьютерных системах RTC интегрирован в микросхему южного моста .

Некоторые микроконтроллеры имеют встроенные часы реального времени, как правило, только те, которые имеют множество других функций и периферийных устройств .

Радиоуправляемые RTC

Некоторые современные компьютеры получают информацию о часах по цифровому радио и используют ее для продвижения стандартов времени. Существует два распространенных метода: Большинство протоколов сотовых телефонов (например, LTE ) напрямую предоставляют текущее местное время. Если доступно интернет-радио, компьютер может использовать сетевой протокол времени . Компьютеры, используемые в качестве серверов местного времени, иногда используют GPS или сверхнизкочастотные радиопередачи, передаваемые национальной организацией по стандартизации (например, радиочасы ).

Программные RTC

Следующая система хорошо известна программистам встраиваемых систем , которым иногда приходится создавать RTC в системах, в которых они отсутствуют. Большинство компьютеров имеют один или несколько аппаратных таймеров, которые используют синхронизирующие сигналы от кристаллов кварца или керамических резонаторов . Они имеют неточный абсолютный отсчет времени (более 100 частей на миллион), который, тем не менее, очень воспроизводим (часто менее 1 ppm). Программное обеспечение может делать математику, чтобы преобразовать их в точные RTC. Аппаратный таймер может генерировать периодическое прерывание, например, 50  Гц , чтобы имитировать исторический RTC (см. Ниже). Тем не менее, он использует математику для точной настройки цепи ГРМ:

время = время + скорость.

Когда переменная «время» превышает константу, обычно степень двойки, номинальное вычисленное время часов (скажем, 1/50 секунды) вычитается из «времени», и вызывается программное обеспечение временной цепочки часов для считать доли секунды, секунды и т. д. С 32- битными переменными для времени и скорости математическое разрешение «скорости» может превышать одну часть на миллиард. Часы остаются точными, потому что иногда они пропускают долю секунды или увеличиваются на две доли. Крошечный скачок (« дрожание ») незаметен почти для всех реальных случаев использования RTC.

Сложность с этой системой заключается в определении мгновенного скорректированного значения переменной «скорость». Простейшая система отслеживает секунды RTC и контрольные секунды между двумя настройками часов и делит контрольные секунды на секунды RTC для определения «скорости». Время в Интернете часто имеет точность менее 20 миллисекунд, поэтому 8000 или более секунд (2,2 или более часов) разделения между настройками обычно могут разделить сорок миллисекунд (или меньше) ошибки до менее чем 5 частей на миллион, чтобы получить хронометр. точность. Основная сложность этой системы - преобразование даты и времени в секунды, но методы хорошо известны.

Если часы реального времени работают, когда устройство выключено, обычно часы реального времени работают с двумя скоростями: одна, когда устройство включено, а другая - когда выключено. Это связано с тем, что температура и напряжение источника питания в каждом состоянии одинаковы. Для корректировки этих состояний программа рассчитывает две ставки. Во-первых, программное обеспечение записывает время RTC, эталонное время, секунды и секунды выключения для двух интервалов между последними тремя настройками часов. Используя это, он может измерить точность двух интервалов, причем каждый интервал имеет различное распределение включенных и выключенных секунд. Математика скорости решает два линейных уравнения, чтобы вычислить две скорости, одну для включения, а другую для выключения.

Другой подход измеряет температуру кристалла с помощью электронного термометра (например, термистора и аналого-цифрового преобразователя ) и использует полином для вычисления «скорости» примерно один раз в минуту. Наиболее распространенными кристаллами кварца в системе являются кристаллы SC-среза, и их скорость по температуре может быть охарактеризована полиномом 3-й степени. Итак, для них скорость измеряется при четырех температурах. Обычные кристаллы в виде камертона, используемые в часах и многих компонентах RTC, имеют параболические (2-й степени) уравнения температуры и могут быть охарактеризованы только тремя измерениями. Тогда с помощью линейной регрессии можно найти уравнение температуры. Что-то вроде этого подхода можно было бы использовать в коммерческих ИС RTC, но фактические методы эффективного высокоскоростного производства являются патентованными.

Исторические RTC

Некоторые старые разработки компьютеров, такие как Novas и PDP-8, использовали часы реального времени, которые отличались высокой точностью, простотой, гибкостью и низкой стоимостью. Блок питания компьютера выдает импульс логического напряжения либо для каждой полуволны, либо для каждого перехода через ноль сети переменного тока. Провод передает импульс на прерывание. Программа обработки прерывания считает циклы, секунды и т. Д. Таким образом, она может предоставить полные часы и календарь.

Часы также обычно составляли основу программных временных цепей компьютеров; например, обычно это был таймер, используемый для переключения задач в операционной системе. Счетные таймеры, используемые в современных компьютерах, предоставляют аналогичные функции с более низкой точностью и могут прослеживать свои требования к этому типу часов. (например, в PDP-8 первыми были сетевые часы модели DK8EA, а затем последовали кварцевые часы DK8EC.)

Программные часы необходимо устанавливать каждый раз при включении компьютера. Первоначально это делали операторы компьютеров. Когда Интернет стал обычным явлением, для автоматической установки часов этого типа стали использоваться сетевые протоколы времени .

В Европе, Северной Америке и некоторых других сетях этот RTC работает, потому что частота сети переменного тока регулируется для обеспечения долговременной точности частоты, такой же хорошей, как и национальные стандартные часы. То есть в таких сетях эти RTC лучше кварцевых часов и менее затратны.

Такая конструкция RTC неприменима в портативных компьютерах или сетях (например, в Южной Азии), которые не регулируют частоту сети переменного тока. Также может показаться неудобным без доступа в Интернет устанавливать часы.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки