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2025-07-08T08:42:20Z

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{{Dieser Artikel|behandelt das Signal in elektronischen Schaltungen; für den tontechnischen Begriff siehe [[Taktkopf]].}}
[[Datei:DigSig0.png|mini|Taktsignal]]
Die Benutzung eines '''Taktsignals''' (kurz auch nur ''Takt;'' {{enS|clock signal}} oder {{lang|en|''clock''}}) ist ein Verfahren, den richtigen zeitlichen Ablauf beim Betrieb einer elektronischen Schaltung sicherzustellen. Insbesondere benötigen viele [[Digitaltechnik|digitale]] Schaltungen ein entsprechendes [[Signal#Signal in der Nachrichtentechnik|Signal]] zur zeitlichen Koordination bzw. [[Synchronisation]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.itwissen.info/Taktgeber-clock-CLK.html |titel=Taktgeber |werk=ITWissen.info – Technologiewissen online |hrsg=DATACOM Buchverlag GmbH |zugriff=2017-09-29}}</ref> der Aktionen mehrerer [[Integrierter Schaltkreis|Schaltkreise]] (insbesondere der von [[Flipflop]]s) innerhalb komplexer digitaler Systeme ([[Schaltwerk (Technische Informatik)|Schaltwerk]]e). Daneben kann die Frequenz des Taktsignals als Referenzfrequenz dienen; sie sorgt so für den gleichmäßigen Gang beispielsweise elektronischer Uhren. Auch bestimmte analoge Schaltungen, beispielsweise [[Switched-Capacitor-Filter]],<ref>{{Literatur |Autor=[[Paul Horowitz]], Winfield Hill |Titel=The Art of Electronics |Auflage=2nd edition |Verlag=[[Cambridge University Press]] |Ort= Cambridge, United Kingdom |Datum=1989 |ISBN=0521370957 |Seiten=282}}</ref> benötigen eine genaue Taktfrequenz.

[[Datei:Takt aperiodisch.png|mini|Aperiodisches Taktsignal bei einer I²C-Übertragung - zu sehen ist der Beginn mit der Startbedingung]]
Meistens ist es ein periodisches Signal, das durch seine [[Frequenz]] (''Taktfrequenz'' oder '''Taktrate''' genannt) bzw. deren Kehrwert ([[Periode (Physik)|Periodendauer]]) charakterisiert ist. Es wechselt dabei zwischen zwei [[Logikpegel]]n, in nebenstehender Skizze mit ''H'' für {{lang|en|''High''}} und ''L'' für {{lang|en|''Low''}} bezeichnet. Prominentes Beispiel eines Taktsignals ist der '''Systemtakt''' ''({{lang|en|system clock}})'' in einem Computer, der die Arbeitsgeschwindigkeit vieler Komponenten, insbesondere des [[Mikroprozessor]]s, bestimmt. Ein Beispiel für ein aperiodisches Taktsignal ist die getaktete [[Datenübertragung]], wie beispielsweise bei den Schnittstellen [[Serial Peripheral Interface|SPI]] oder [[I²C]].

== Abgrenzung ==
Im Technikerjargon wird häufig bloß von ''Takt'' gesprochen, wobei dem Zusammenhang entnommen werden muss, ob damit ''Taktsignal, Taktfrequenz'' oder ''Taktzyklus'' gemeint ist.

== Allgemeines ==
[[Datei:18MHZ 12MHZ Crystal 110.jpg|mini|Gehäuster [[Schwingquarz]] und integrierter [[Quarzoszillator]] – typische Quellen eines Taktsignals]]
Wenn ein periodisches Taktsignal vorliegt, wird es von einem [[Oszillator]], wie beispielsweise einem [[Quarzoszillator]], erzeugt. Als weitere charakteristische Eigenschaften eines Taktsignals (neben der Frequenz bzw. Periodendauer) seien die Genauigkeit ([[Fertigungstoleranz]], [[Temperaturabhängigkeit]], [[Phasenrauschen]] und [[Jitter]] der Taktsignalquelle), die [[Amplitude]] ([[Elektrische Spannung|Spannung]]) und der [[Tastgrad]] genannt. Aus der Anwendung ergeben sich diesbezügliche Anforderungen, die sich auf die Auswahl bzw. das Konstruktionsprinzip des Oszillators auswirken (beispielsweise [[Ringoszillator]] bei sehr geringen, Quarzoszillator (z. B. [[Pierce-Schaltung]]) bei höheren oder [[Atomuhr]] bei höchsten Genauigkeitsanforderungen).

In der Idealvorstellung ist ein Taktsignal ein [[Rechteckschwingung|Rechtecksignal]]. Tatsächlich jedoch ist die Kurvenform eines Taktsignals häufig eher sinusförmig. Häufig ist die Taktfrequenz fast so hoch wie die technologisch bedingte Maximalfrequenz des Schaltwerks. Zur Befriedigung der Anforderung an die [[Flankensteilheit]] genügt in diesem Fall eine Wellenform mit geringem Anteil an [[Harmonische]]n, die zudem potenziell weniger [[Störausstrahlung]] verursacht.

== Takterzeugung ==
Zur Takterzeugung eines Rechtecktakts werden heute bei elektronischen Schaltungen neben den Schwingquarzen samt der Ansteuerschaltung auch Quarzoszillatoren verwendet. Die Vorteile dieser Bauelemente sind die geringe Toleranz der erzeugten Frequenz und die hohe Stabilität der Frequenz über den zulässigen Temperaturbereich, der Alterungsbeständigkeit des Bauelements und den zulässigen Bereich bei der Betriebsspannung der Bauelemente. Bei historischen Computern, die mit Trommelspeichern arbeiteten, wurde das Taktsignal mitunter von einer speziellen Magnetspur auf dem Trommelspeicher gelesen, siehe dazu im Artikel ''[[Trommelspeicher#Systemtakt|Trommelspeicher]].''

[[Datei:2007TaipeiITMonth IntelOCLiveTest Overclocking.jpg|mini|Übertakten: Experimenteller Betrieb eines mit flüssigem Stickstoff gekühlten Aufbaus]]Moderne Prozessoren sowie ihre Hilfsbausteine auf der [[Hauptplatine]] eines Computers benötigen mehrere verschiedene Taktsignale, da beispielsweise die [[Prozessor|CPU]] mit sehr viel höherer Taktfrequenz läuft als externe Schnittstellen. Auch innerhalb der CPU werden vor allem zwecks Energieeinsparung Frequenzen dynamisch je nach Betriebssituation umgeschaltet. Für die Bereitstellung solcher vielfältiger Taktsignale ist üblicherweise ein Master-Oszillator zuständig, der über eigene [[Frequenzteiler]] bzw. [[Phasenregelschleife]]n (PLL) alle benötigten Frequenzen aus einer [[Quarzoszillator|Quarzfrequenz]] ableitet.

CPUs und [[Grafikprozessor|GPUs]] werden in Ausführungen für bestimmte Taktfrequenzbereiche angeboten, für die sie bei der Entwicklung spezifiziert und bei der Herstellung getestet wurden. Da in diese Bereiche wegen der Betriebssicherheit und wegen unvermeidlicher Produktionstoleranzen Reserven eingeplant sind, streben viele Anwender – vor allem aus dem [[Computerspiel]]-Bereich – an, die Grenzen auszureizen. Viele Prozessoren bieten für dieses [[Übertakten]] spezielle [[Register (Computer)|Steuerregister]] an, über die man einen Teilerfaktor – den '''Multiplikator''' – einstellen kann, der angibt, wie die Arbeitsfrequenz aus der Taktfrequenz geteilt werden soll. Solche Einstellungen sind jedoch riskant, da es im Extremfall zu Datenverlusten oder auch der Zerstörung des Prozessors kommen kann. Daher gibt es Firmen, die als Teil ihres Dienstleistungsangebots solche übertakteten Rechner oder Grafikkarten anbieten, die sie vorher auf ausreichende Betriebssicherheit getestet haben.

== Taktsignal bei integrierten Schaltungen ==
Die Schaltkreise, die das Taktsignal zur Synchronisierung benutzen, können je nach Bauart entweder während der steigenden oder der fallenden [[Signalflanke]] aktiv werden (bei [[Double Data Rate]] (DDR) werden beide Flanken genutzt); man spricht dabei von ''Flankensteuerung'' oder ''Flankentriggerung''. In Datenblättern und Diagrammen wird das Taktsignal häufig mit ''CLK'' bezeichnet. Mittels [[Clock-Gating]] kann in integrierten Schaltungen das Taktsignal selektiv bei bestimmten, momentan nicht benötigten Schaltungsteilen weggeschaltet werden, um die mittlere Leistungsaufnahme zu reduzieren.

Die meisten komplexeren [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltkreise]] erfordern ein Taktsignal, um unterschiedliche Teile der Chips zu synchronisieren und Gate-Delays auszugleichen. Da diese Bauelemente aufgrund des technischen Fortschritts sowohl immer komplexer als auch tendenziell schneller werden, wird die Lieferung eines akkuraten und überall gleichen Taktsignals an alle Schaltkreise für die Chipentwickler zu einer immer größeren Herausforderung. Das Paradebeispiel für solche komplexen Chips sind [[Mikroprozessor]]en, die zentralen Bestandteile moderner Computer.

== Arbeitsgeschwindigkeit von Prozessoren ==
Die Taktfrequenz eines Prozessors gibt an, mit welcher [[Frequenz]] die Verarbeitungseinheiten getaktet werden.

Sie wird in [[Hertz (Einheit)|Hertz]] (Hz) angegeben. Da die Frequenz mehrere Milliarden Hertz betragen kann, werden die Zahlen oft mit Hilfe von [[Vorsätze für Maßeinheiten|Vorsätzen]] wie Giga (G) für Milliarden oder Mega (M) für Millionen abgekürzt (in [[Eingebettetes System|eingebetteten Systemen]] sind aber teilweise auch kHz üblich). Zum Beispiel bedeutet eine Prozessor-Taktfrequenz von 1 GHz eine Taktperiode von einer [[Nanosekunde]].

Bei aktuellen Prozessoren entspricht die Taktfrequenz der Frequenz, mit der Maschinenzyklen beginnen können, bei älteren Prozessoren konnte diese auch deutlich geringer als die Taktfrequenz sein. Z. B:
* [[Intel]] [[8051]]: Taktfrequenz 24 MHz, alle 12 Takte kann ein neuer Maschinenzyklus beginnen → effektive Zyklusfrequenz 2 MHz, Taktperiode 500 ns
* [[Texas Instruments]] TMS320C40: Taktfrequenz 50 MHz, alle 2 Takte kann ein neuer Maschinenzyklus beginnen → effektive Zyklusfrequenz 25 MHz, Taktperiode 40 ns
Auch daraus lässt sich die effektive Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht definitiv schlussfolgern, denn auf manchen Prozessoren dauern selbst simple Befehle dann immer noch 10 bis 20 Zyklen, auf anderen können jeden Zyklus mehrere komplexe Befehle begonnen werden. Was auf einer CPU in 4 Takten erledigt ist, dauert auf anderen hunderttausend Takte.

[[Multikernprozessor]]en erlauben getrennte Taktfrequenzen für jeden Kern sowohl für global genutzte Ressourcen (L3-Cache, [[PCI-Express]], RAM-Interface, [[QPI]]), weiterhin können diese sich entsprechend der aktuellen Anforderungen dauernd ändern.

Der Datendurchsatz eines [[Prozessor]]s ergibt sich aus seiner Taktfrequenz und der [[Datenübertragungsrate]] seiner Anbindung an den [[Hauptspeicher]]. Die Rechenleistung (gemessen zum Beispiel in [[Instruktionen pro Sekunde|MIPS]] oder [[FLOPS]]) ist nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der gesamten Architektur des Prozessors abhängig. Selbst bei Prozessoren, die den gleichen [[Befehlssatz]] verwenden, können sich bei gleicher Taktrate gravierende Rechenleistungsunterschiede zeigen, deren Ursache zum Beispiel in der IPC-Rate (IPC für {{enS|[[Instructions per Cycle]]|de=Instruktionen pro Taktzyklus}}), firmenspezifischen Merkmalen (zum Beispiel [[SIMD]]-Erweiterungen) oder in der bereits angesprochenen Speicherbandbreite begründet liegen kann. Die IPC-Rate gibt an, wie viele Instruktionen pro Taktzyklus ein Prozessor durch [[Parallele Programmierung|Parallelisierung]] gleichzeitig abarbeiten kann. Der Prozessor mit höherer IPC-Rate schafft daher pro Taktzyklus mehr Rechenoperationen und rechnet daher schneller.

== Siehe auch ==
* [[Unit Interval]]

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Vojin G. Oklobdzija, Vladimir M. Stojanovic, Dejan M. Markovic, Nikola M. Nedovic
|Titel = Digital System Clocking
|TitelErg = High-Performance and Low-Power Aspects | Verlag = Wiley-IEEE Press | Jahr = 2003 | ISBN = 978-0-471-27447-6 }}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Digitaltechnik]]
[[Kategorie:Nachrichtentechnik]]

Taktsignal - Versionsgeschichte

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