Часы реального времени - Real-time clock

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

А часы реального времени (RTC) представляет собой электронное устройство (чаще всего в виде Интегральная схема ), который измеряет течение времени.

Хотя этот термин часто относится к устройствам в персональные компьютеры, серверы и встроенные системы, RTC присутствуют практически в любом электронном устройстве, которому необходимо точное время.

Терминология

Период, термин часы реального времени используется, чтобы избежать путаницы с обычным аппаратные часы которые только сигналы которые управляют цифровая электроника, и не считайте время в человеческих единицах. RTC не следует путать с вычисления в реальном времени, который разделяет трехбуквенная аббревиатура но не имеет прямого отношения к времени суток.

Цель

Хотя отсчет времени можно вести без RTC,[1] использование одного имеет преимущества:

  • Низкое энергопотребление[2] (важно при работе от альтернативного источника питания)
  • Освобождает основную систему для срочных задач
  • Иногда точнее других методов

А GPS приемник может сократить время запуска, сравнивая текущее время в соответствии с его часами реального времени и временем последнего приема действительного сигнала.[3] Если прошло менее нескольких часов, то предыдущий эфемериды все еще можно использовать.

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. Этот альтернативный источник питания обычно литиевая батарея в старых системах, но в некоторых новых системах используется суперконденсатор,[4][5] потому что они перезаряжаемые и могут быть припаянный. Альтернативный источник питания также может подавать питание на ОЗУ с батарейным питанием.[6]

Время

Большинство RTC используют кварцевый генератор,[7][8] но у некоторых есть возможность использовать частота линии электропередачи.[9] Частота кристалла обычно составляет 32,768 кГц,[7] та же частота, что и в кварцевые часы и часы. Быть ровно 215 циклов в секунду, это удобная скорость для использования с простыми схемами двоичного счетчика. Низкая частота экономит энергию, оставаясь выше человеческого диапазон слышимости. Кварц камертон Эти кристаллы не сильно меняют размер в зависимости от температуры, поэтому температура не сильно меняет свою частоту.

Некоторые RTC используют микромеханический резонатор на кремниевой микросхеме 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.[10]

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.[11][12] С практической точки зрения этого достаточно для выполнения небесная навигация, классическая задача хронометр. В 2011, атомные часы в масштабе чипа стал доступен. 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).[13]

Примеры

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

Много Интегральная схема производители делают RTC, в том числе Epson, Интерсил, IDT, Максим, Полупроводники NXP, Инструменты Техаса, STMicroelectronics и Ricoh. Обычный RTC, используемый в одноплатные компьютеры это Максим Интегрированный DS1307.

RTC был введен в совместимые с ПК IBM PC / AT в 1984 г. Motorola MC146818 RTC[14][15]. Позже, Dallas Semiconductor сделали совместимые RTC, которые часто использовались в старых персональные компьютеры, и их легко найти на материнские платы из-за характерной черной крышки батарейного отсека и шелкография логотип.

В более новых компьютерных системах RTC интегрирован в южный мост чип.[16][17]

Немного микроконтроллеры имеют встроенные часы реального времени, обычно только те, которые имеют много других функций и периферийные устройства.

RTC на основе радио

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 указать текущее местное время. Если доступно интернет-радио, компьютер может использовать протокол сетевого времени. Компьютеры, используемые в качестве серверов местного времени, иногда используют GPS[18] или сверхнизкочастотные радиопередачи, транслируемые национальной организацией по стандартизации (т.е. радио часы[19]).

Программные RTC

Следующая система хорошо известна встроенные системы программисты, которым иногда приходится создавать RTC в системах, в которых они отсутствуют. Большинство компьютеров имеют один или несколько аппаратных таймеров, которые используют временные сигналы от кристаллы кварца или керамические резонаторы. 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 математические вычисления, чтобы преобразовать их в точные RTC. Аппаратный таймер может создавать периодические прерывания, например 50Гц, 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 запускается программное обеспечение временной цепочки часов для считать доли секунды, секунды и т. д. С 32-кусочек переменных 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 скип ("дрожь ") 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.[20]

Если часы реального времени работают, когда устройство выключено, обычно часы реального времени будут работать 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 включения и секунды выключения для двух интервалов между последними тремя моментами установки часов. Используя это, он может измерить точность двух интервалов, каждый из которых имеет разное распределение включенных и выключенных секунд. Математическая оценка решает два линейные уравнения для расчета двух ставок: одна для включения, а другая для выключения.

Другой подход измеряет температуру кристалла с помощью электронного термометра (например, термистор и аналого-цифровой преобразователь ) и использует многочлен рассчитывать «скорость» примерно 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. Затем линейная регрессия можно найти уравнение температуры. Нечто подобное можно было бы использовать в коммерческих ИС RTC, но фактические методы эффективного высокоскоростного производства являются патентованными.

Исторические RTC

Некоторые старше компьютер такие конструкции, как Новас и PDP-8s[21] использовали часы реального времени, которые отличались высокой точностью, простотой, гибкостью и невысокой стоимостью. Блок питания компьютера выдает импульс логического напряжения либо для каждой полуволны, либо для каждого перехода через ноль сети переменного тока. Провод передает импульс к прерыванию. Программа обработки прерывания считает циклы, секунды и т. Д. Таким образом, она может предоставить целые 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 меньшей точностью и могут прослеживать свои требования к часам этого типа. (например, в PDP-8 первыми появились 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, сетевые протоколы времени использовались для автоматической установки часов этого типа.

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 превосходят кварцевые часы и менее затратны.

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

Бесчасовые процессоры

Некоторые материнские платы сделаны без часов реального времени. Часы реального времени опущены либо из желания сэкономить (как в Raspberry Pi системная архитектура) или потому, что часы реального времени могут вообще не понадобиться (как в Ардуино Архитектура системы[22]).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ала-Паавола, Яакко (16 января 2000 г.). "Проект исходного кода часов реального времени на основе программных прерываний для микроконтроллера PIC". Архивировано из оригинал на 2007-07-17. Получено 2007-08-23.
  2. ^ Включение функции хронометража и продление срока службы батареи в системах с низким энергопотреблением, NXP Semiconductors, 2011 г.
  3. ^ США 5893044  Часы реального времени для быстрого сбора данных или сигналов GPS
  4. ^ Новые часы реального времени PCF2123 устанавливают новый рекорд энергоэффективности, футурл
  5. ^ Примечание по применению 3816, Maxim / Dallas Semiconductor, 2006 г.
  6. ^ Торрес, Габриэль (24 ноября 2004 г.). «Введение и литиевая батарея». Замена батареи материнской платы. hardwaresecrets.com. Архивировано из оригинал 24 декабря 2013 г.. Получено 20 июня, 2013.
  7. ^ а б Примечание по применению 10337, СТ Микроэлектроника, 2004, с. 2
  8. ^ Указания по применению U-502, Texas Instruments, 2004, стр. 13
  9. ^ Примечание по применению 1994, Maxim / Dallas Semiconductor, 2003 г.
  10. ^ "Максим ДС3231м" (PDF). Максим Инк. Получено 26 марта 2019.
  11. ^ «Высокоточные часы реального времени». Максим Полупроводникс. Получено 20 октября 2017.
  12. ^ Дроун, Дэн (3 февраля 2017 г.). «Сравнение RTC».
  13. ^ "Атомные часы с чип-шкалой". Microsemi. Получено 20 октября 2017.
  14. ^ «Информация о часах реального времени / дополнительном металлооксидном полупроводнике (RT / CMOS) RAM». Технический справочник IBM PC AT (PDF). Международная корпорация бизнес-машин. 1984. с. Системная плата 1-45.
  15. ^ MC146818A ЧАСЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ПЛЮС ОЗУ (RTC) (PDF). Motorola Inc. 1984 г.
  16. ^ «Технические характеристики южного моста ULi M1573». AMDboard.com. Получено 2007-08-23.
  17. ^ https://www.intel.com/Assets/PDF/datasheet/290562.pdf
  18. ^ «Синхронизация часов GPS». Спектраком. Получено 20 октября 2017.
  19. ^ "Продукт: USB-радио часы". Майнбург. Получено 20 октября 2017.
  20. ^ «Календарные приложения». Военно-морская обсерватория США. ВМС США. Архивировано из оригинал на 2016-04-04. Получено 7 ноября 2019.
  21. ^ Digital Equipment Corp. "PDP-8 / E Small Computer Handbook, 19" (PDF). Gibson Research. стр. 7–25, DK8EA. Получено 12 ноября 2016.
  22. ^ Однако обратите внимание, что многие программные пакеты Arduino включают в себя дополнительное программное обеспечение RTC, запускаемое от таймера с низкой точностью, как описано.

внешняя ссылка