Generador de frecuencia y temporización.

En los sistemas digitales donde se procesa información y se tienen que realizar gran cantidad de operaciones es necesario tener un orden, debe haber algo que se encargue de “marcar el paso” y, al igual que en una orquesta, definir el inicio y duración de cada proceso así como la interacción que puedan tener entre si diferentes operaciones.

Una computadora personal es un sistema diseñado para trabajar con microprocesadores muy complejos que realizan una gran cantidad de tareas, muchas de las cuales no conocemos por ser de carácter interno pero de igual manera, desde una simple operación de cálculo hasta la más compleja necesitan de una escala de tiempo, algo que sincronice todo el sistema y le permita funcionar de una manera organizada. Para eso surgieron los relojes de sistema, que son los que se encargan de una de las funciones vitales de cualquier computadora, la temporización (timing).

Las señales de reloj se caracterizan por su precisión y determinan la velocidad de operación de todo el sistema. Por ejemplo: Cuando decimos que un microprocesador trabaja a 3.06Ghz nos estamos refiriendo a la frecuencia de su señal de reloj para el procesamiento de datos y ejecución de programas. Cuando decimos que la velocidad del bus es de 800Mhz se refiere a la frecuencia de la señal de reloj que determina  la rapidez con que viaja la información a través de los buses del sistema. Así sucede también con otros elementos como los módulos de  memoria RAM que se fabrican para distintas velocidades de bus (DDR2 de 533Mhz, 667Mhz, 800Mhz, 1200Mhz.  DDR3 de 1066Mhz, 1333Mhz).

Para lograr la precisión y la estabilidad requeridas se utilizan los cristales de cuarzo o resonadores de cuarzo, que son un tipo de componente electrónico que en su interior contiene una lámina de cuarzo cuyas dimensiones garantizan que genere una oscilación eléctrica  con una frecuencia fija y muy estable ante cambios externos. Estos cristales de cuarzo se emplean como patrón para los generadores de frecuencias de reloj que veremos más adelante.

Una computadora tiene al menos dos cristales de cuarzo sobre la motherboard, el cristal principal controla la velocidad de la motherboard y toda su circuitería, mientras que el otro controla el reloj de tiempo real (RTC). El cristal principal es siempre de 14.318Mhz (o puede aparecer de manera abreviada 14.318 o solo 14.3) y el cristal RTC que siempre es de 32.768KHz.

Figura 1. Cristal de cuarzo de 14.318Mhz

Pero concentrémonos en el generador principal de  frecuencia, que es un circuito electrónico capaz de generar las señales de reloj para el CPU, chipset, interfaces PCI, direccionamiento y refrescamiento RAM, entre otros, todo a partir de un cristal de cuarzo de 14.318Mhz.

¿Por qué 14.318Mhz?

Desde las primeras microcomputadoras de IBM, allá por el año 1981, una de sus ventajas era que su velocidad  de 4.77MHz, que era su frecuencia de reloj, se obtenía a partir de un cristal de cuarzo de 14.318Mhz y utilizando un circuito divisor de frecuencia por 3, o sea,

14.318/3  =  4.77

Muchos se confundieron por la decisión de IBM de que el microprocesador corriera a 4.77Mhz, cuando se sabía que el 8088 podía trabajar a 5Mhz y en lugar de un cristal de cuarzo de 14.318Mhz utilizar uno de 15Mhz. Muy bien, pero de esa manera habría que adicionar más cristales al diseño y los ingenieros de IBM miraban mucho más adelante y no habían elegido ese número al azar. Veamos, el mismo cristal de 14.318Mhz que se dividió por 3 y se obtuvo los 4.77Mhz del CPU, cuando se divide por 4 se obtiene 3.58Mhz, que es la frecuencia exacta para la modulación del color en el  video para la norma NTSC de televisión.

Pero eso no es todo, el mismo cristal se divide por 12 y se obtiene 1.193182Mhz para el contador/ temporizador programable 8253 de tres canales y programado por el BIOS para generar números aleatorios, así como la determinación de la hora, la activación del DMA para el refrescamiento de las memorias RAM, los beeps de encendido de la PC y otras muchas. Escogiendo cuidadosamente el cristal de cuarzo de una frecuencia de 14.318Mhz se logró diseñar una motherboard de un solo cristal, para el procesador, tarjeta de video, reloj horario, refrescamiento de memoria y hasta el tono de los beeps. El diseño con un solo cristal permitió fabricar motherboards con pocos componentes y menor costo.

Como un legado de sus antepasados, las modernas computadoras personales están aún controladas por un cristal de 14.318Mhz que, junto con un chip generador o sintetizador de frecuencia generan virtualmente todas las frecuencias utilizadas en una motherboard moderna para el CPU, buses, memoria y más, como se observa en la figura 2.

Figura 2. Esquema básico de señales de reloj.

El FTG o sintetizador de frecuencia.

Un elemento imprescindible para el funcionamiento de la PC es el generador de temporización y frecuencia o simplemente sintetizador de frecuencia, pues es el que marca el tiempo y por tanto determina la velocidad a la que trabajarán todos los componentes. La velocidad de procesamiento, la rapidez con que fluye la información a través de un puerto, el rendimiento y la estabilidad de todo el sistema dependen de este circuito que trataremos de explicar.

Figura 3. Cómo identificar el Generador de Reloj.

Es fácil de identificar, como se muestra en la figura 3, en la mayoría de los modelos tiene la misma estructura externa que se destaca por un cristal de cuarzo cuya frecuencia es de 14.318Mhz, como el de la figura 1.

Figura 3. Generador de señales de reloj.

Las PC no corren a 14.318Mhz, entonces ¿Cómo puede utilizarse un cristal de esta velocidad?  ¿Qué sucede cuando se instala un procesador diferente? ¿Cómo hace el sistema para ajustar la frecuencia del bus y otras velocidades necesarias para acomodar el nuevo chip? La respuesta es que existe un chip especial que se llama Generador de Frecuencia y Temporización (FTG) (frequency timing generator) o Sintetizador de Frecuencia, que a partir del cristal obtiene las frecuencias necesarias para la velocidad de los sistemas actuales. El reloj de tiempo real (RTC), el que determina la fecha y hora del PC era muy impreciso en las primeras computadoras, por esa causa IBM decidió adicionar un cristal de 32.768Khz para formar la fecha y hora de manera independiente al resto de la temporización del sistema.

La mayoría de los chips sintetizadores de frecuencia utilizados en motherboards se fabrican por un grupo de compañías entre las que se destacan IDT (Integrated Device Technology) y Cypress Semiconductor. Esos chips utilizan una técnica que se llama Lazo de Control de Fase (Phase Locked Loop) conocido popularmente como PLL, para generar de manera sincronizada las señales de temporización del procesador, PCI, AGP y otras señales de temporización del bus que se obtienen a partir de un solo cristal de 14.318Mhz. El cristal y el sintetizador de frecuencia se sitúan casi siempre cerca del procesador y el componente principal del chipset en la motherboard.

Un elemento admirable de estos chips es que la mayoría de ellos son programables y ajustables, o sea, que podemos cambiar las frecuencias que generan mediante un software, lo cual trae como resultado que un sistema pueda trabajar a diferentes velocidades. Debido a que todos los CPU están basados en la velocidad del bus, cuando cambiamos la velocidad del bus generada por el sintetizador de frecuencia  cambiamos también la velocidad del CPU. La velocidad de trabajo de los buses PCI, AGP y memoria a menudo están sincronizados con la velocidad del bus del procesador, por tanto cuando se cambia la velocidad del bus del procesador en un porcentaje dado, se estará cambiando la velocidad de los otros buses en el mismo porcentaje. El software para realizar estos cambios viene incluido en el programa Setup de la mayoría de las motherboards modernas.

Consideraciones prácticas.

El Sintetizador de Frecuencias es un elemento imprescindible en cualquier sistema digital porque es quien determina el orden y la estabilidad de todo el conjunto.

Los problemas y fallos que se originan en los circuitos de temporización son los más difíciles y a veces imposibles de detectar con instrumentos convencionales, de ahí que en gran medida determinan el hecho de tener que desechar una motherboard.

Los cristales de cuarzo se deterioran con los golpes, con el calor y con el envejecimiento, provocando que dejen de funcionar o que se altere su frecuencia de trabajo y se produzca un corrimiento de frecuencia. Como este cristal se utiliza como patrón, si se altera su valor le impide al generador formar correctamente las demás señales.

La temperatura suele alterar la frecuencia  de los cristales de cuarzo, por eso a veces sucede que cuando están defectuosos y se le aplica calor comienzan a funcionar, eso es un indicador de que hay que sustituir el cristal.

Las señales que se forman en el Generador de Frecuencia y Temporización son débiles y de frecuencias elevadas, por tanto esa área debe estar libre de suciedades y de elementos metálicos como cables sobre sus componentes, eso puede provocar fallos y generar interferencias.

El funcionamiento interno de este chip es bastante complejo y las señales que en él se forman varían mucho de un modelo a otro o de una generación de computadoras a otra, pero lo más importante es conocer su función y la importancia que tiene en el desempeño de todo el sistema para que, en lo adelante éste sea un misterio menos y un conocimiento más sobre las tecnologías que nos rodean.

Ing. Arnaldo Gonzalo Lorenzo Pardo