Tacka radion för överklockningen

Tacka radion för överklockningen! Det menar Jonatan ”MBY” Gardell, en uppskattad medlem hos SweClockers som nu tagit steget att skriva en mycket läsvärd historia, från sin början till sitt slut.

Det hela började någon gång under 1920-talet. Ingenjör Edwin Howard Armstrong (1890–1954) letade efter ett sätt att stabilisera mottagningen av radiosignaler. Tidiga radioapparater självsvänger med signalen från antennen, vanligen med en spole och en reglerbar kondensator. På grund av de ingående komponenternas känslighet för till exempel temperaturvariationer ändras mottagardelens egenfrekvens. Detta gör att frekvensen kryper. Trots att man hade rattat in rätt frekvens, började radion efter en stund att tappa stationen, och man fick bemöda sig att finjustera mottagardelen. Armstrong var specialist på heterodyn radio. Genom att radiomottagaren fick ha en egen aktiv oscillator som blandades med den mottagna signalen, kunde stationen hållas bättre. På radiospråk kallas en mottagares egna oscillator för lokal oscillator. Om den lokala oscillatorn ställs in (med tuning-ratten) till att matcha den inkommande signalen, adderas de båda vågformerna, så kallad positiv eller konstruktiv interferens. Egentligen är det inte så enkelt; tekniken kallas för heterodyn och mottagaren för "superheterodyn". Det är en kortform för "supersonic heterodyne", och jag ska strax återkomma till hur den fungerar lite enkelt och ytligt. Först kommer en avstickare.

En oscillator är något som oscillerar. Med detta menas att den avger pulser i en jämn takt. De som minns något av no-ämnet i högstadiet erinrar sig kanske en krets kallad för "astabil vippa". Detta är en typ av oscillator. En oscillator har en för oss intressant egenskap, nämligen frekvens. Jag tror att alla här vet vad frekvens är, men jag ska ändå göra en kort formell definition av detta: Frekvens är moment per tidsenhet. Detta är liktydigt med reciprok tid, det vill säga 1/t där t är tiden. Vanligen mäts frekvensen i händelser per sekund, och enheten är då Hz, hertz, efter fysikern Heinrich Hertz (1857–1894). Ett förlopp som händer en gång per sekund har således frekvensen 1/t = 1/1 = 1 Hz. Händer något två gånger per sekund, sker varje händelse med en halv sekunds mellanrum, således 1/0,5 = 2 Hz. En gigahertz är en miljard händelser per sekund.

Låt oss nu återvända till vår lokala oscillator. En superheterodynmottagare fungerar så att den lokala oscillatorn har en "genomsnittsfrekvens" som är ungefär mitt i det band av radiofrekvenser man lyssnar till. fm-bandet ligger exempelvis vanligen mellan 88 och 108 MHz. En lokal oscillator för denna frekvens har säg 98 MHz (bry er inte om att det är skillnad på fm och am – tänk am). Om två frekvenser blandas kommer nya att uppstå. Om vi till exempel har frekvenserna 1 000 och 1 002 Hz, får vi "skuggfrekvenser" på 998, 1 001, 1 003 och 1 Hz. Om vi lyssnar på frekvenserna är 1 001 Hz är den frekvens som kommer att höras starkast, men ljudet kommer att öka och minska med 1 Hz. Denna 1 Hz kallas för "beat frequency" (på svenska svävningsfrekvens). Själva fenomenet kallas för heterodyn och anses för övrigt vara en bov i världens största flygolycka på Teneriffa 1977. Två Boeing 747-jumbojetar krockade på rullbanan eftersom båda kommunicerade med flygledartornet samtidigt. En heterodyn uppstod och ingen hörde någonting i dimman. Detta resulterade i att 582 personer miste livet. Heterodyner är alltså något man vanligen vill undvika. I en superheterodyn uppstår hela tiden heterodyner mellan radiostationernas sändningar och mottagarens lokala oscillator. Lyckligtvis är frekvenserna på dessa långt över det hörbara området – därav det något oegentliga "supersonic heterodyne". När användaren rattar sig närmare en station, sjunker dock heterodynfrekvensen in i det hörbara området. Amplituden ökar och minskar därigenom med, ja just det, am-vågens amplitud. Det är där ljudet finns. Vår lyssnare hör således radiostationen på sin mottagare. Sägas kan att superheterodynmottagare passar mycket bra för fm också.

Armstrong uppfann något som kallas för negativ regenerativ återkoppling, eller negativ feedback. Med detta kunde man förstärka signaler mycket starkare än tidigare. Regenerativ återkoppling var visserligen inget nytt, men tidigare hade man i allmänhet använt mer komplex positiv återkoppling.

Inte heller själva radioutsändningarna kunde alltid hålla en fast frekvens, även om den var betydligt stabilare än den lokala oscillatorn. Den lokala oscillatorn led emellertid fortfarande av drift, speciellt av temperatur. Ett annat problem var att antalet kretsar som behövs för en superheterodyn mottagare är rätt stort. Nu började även andra forskare intressera sig, främst för att hitta ett sätt att ”förbilliga” konstruktionen och gärna också förbättra den. Man uppfann fasdetektorn.

Om faser

Alla vågformer har förutom en frekvens även en fas, vilket är vid vilken tidpunkt vågformen befinner sig i vilket tillstånd. Om vi har en spänning som är noll när tiden t = 0, är fasen noll (alternativt 360, eller ännu mer precist 360n, men det behöver vi inte gå in på).

Om två frekvenser är mycket lika ser man skillnader i dess fas mycket tidigare än man ser skillnader i antalet moment. Denna fasdetektor, eller faskomparator, reagerar på skillnaden i fas och genererar en utsignal som är proportionell mot fasskillnaden. Denna signal ges som återkoppling till den lokala oscillatorn.

Med återkoppling får den lokala oscillatorn hela tiden en signal vars styrka är proportionell mot skillnaden mellan den egna frekvensen och den mottagna. Denna signal används för att justera den lokala oscillatorn så att den matchar radiosändningens. Detta kan göras på olika sätt, men det kanske vanligaste är en så kallad vco – voltage controlled oscillator (spänningskontrollerad oscillator). Man kunde således "låsa" på en radiostation. Återkopplingen sägs vara negativ eftersom den hela tiden motverkar pågående "rörelse". Om den lokala oscillatorn går för snabbt, säger signalen "bromsa", och tvärt om.

Hela arrangemanget med en lokal oscillator av vco-typ och en fasdetektor kom senare att kallas för en pll (lägg det på minnet), phase locked loop, eller på svenska faslåsningskrets.

Men en pll kan göra mycket mer än så; den kan användas för att multiplicera frekvenser. För detta behövs en ny komponent, en räknare.

Låt oss nu lämna radioområdet och införa nya beteckningar: Den lokala oscillatorn kallar vi nu för "basklocka". I stället för en radioutsändning tar vi vår "insignal" annorstädes och kallar den för "referensklocka". Rasket kallar vi för just pll.

Räknaren

Ehuru det finns analoga räknare är de flesta av digital natur. Vi kan här inte gå in på exakt hur en räknare fungerar, men jag kan säga att den inte är speciellt komplicerad. Räknaren räknar helt enkelt inkommande pulser. Räknaren har en viss längd eller bredd som vi kan mäta i siffror eller bitar. För enkelhetens skull räknar jag med "siffror". Räknaren börjar med ett tal, säg 74 och räknar ner ett steg för varje puls den får. När den nått noll, börjar den om på 74 igen. Den har alltså 75 olika värden, 0–74.

Vad händer om vi kopplar "utgången" på vår basklocka till en räknare, och sedan räknarens utgång till fasdetektorn? Säg att referensklockan håller 1 MHz. Och vår räknare räknar från 74 till 0 (eller 0 till 74, eller 1 till 75, det spelar absolut ingen roll förutom att det första är enklare rent tekniskt i en verklig applikation).

Om basklockan från början också har en frekvens på 1 MHz, vilken frekvens kommer ut ur räknaren? Det blir ju en sjuttiofemtedels MHz, eller ungefär 13 kHz. Dessa 13 kHz jämförs nu med referensklockans 1 MHz av fasdetektorn. Denna upptäcker en jätteskillnad och pressar upp basklockans frekvens. Denna kommer succesivt öka sin frekvens ända tills fasdetektorn inte ser någon skillnad mellan basklockan och referensklockan. Fasdetektorn varken vet eller bryr sig om att det finns en räknare mellan denna och basklockan. När så basklockan har jagats upp till 75 MHz, blir fasdetektorn nöjd och kommer bara att "finregulera" basklockans frekvens. Vi har alltså multiplicerat frekvensen med 75!

En mycket enkel – men inte speciellt mångsidig – fasdetektor består endast av en xor-grind. Grinden kommer att ge pulser ut, vilkas arbetscykel är proportionell mot fasförskjutningen. Den kommer att ge konstant "0" ut om de båda frekvenserna är i perfekt fas eller konstant "1" i perfekt motfas (vilket inte spelar någon roll, frekvensen är densamma).

En stabil oscillator

Att bygga oscillatorer är svårt, speciellt om de ska vara reglerbara. Det finns en inneboende svaghet i regulerbara oscillatorer eftersom elektriskt brus ändrar i inställningarna. En fast klocka, med en och endast en frekvens är enklare. Då kan vi använda en krets som kallas för kristall. En sådan är i grunden ett pyttelitet pendelur, där pendeln är slipad med laser för att få en precision på några få miljondelar. En typisk kristalloscillator på 1 MHz, t.ex., kanske har en högsta frekvens på 1 000 005 Hz och en lägsta frekvens på 999 995 Hz. En astabil vippa för samma frekvens kanske skulle variera från 800 000 till 1 400 000 Hz under olika spänningar, temperaturer och luftfuktigheter.

Åter till pll. Vi inser att pll är ett enkelt sätt att "förstora", multiplicera frekvenser. Om vi har en exakt referensklocka, kommer även utsignalen från vår pll att ha en tämligen exakt frekvens. En del gissar säkert vart jag är på väg. Vissa har rentav i diverse överklockningsprogram sett en moderkortsspecifik inställning som heter något med "pll" ...

En mångsidig kristall

14,318 MHz är en magisk frekvens. Denna frekvens behövs för att generera linjesvep hos tv-apparater, åtminstone amerikanska modeller. Således har kristaller och kristalloscillatorer för denna frekvens varit tillgängliga i decennier och åter decennier. Mängden gör att den är bland de billigaste och lättillgängligaste kristallerna som går att få tag i. 1981 lanserade IBM så sin pc som kom att bli urmoder till alla x86-system. Den nyaste tänkbara x86 med eller utan 64-bitarsjox kan med lätthet köra hennes 25 år gamla program. Processorn, en Intel 8088 klockades med frekvensen 4,77267 MHz. Detta var ingen slump; processorn var specificerad för 5 MHz, fast det är ingen vanlig kristallfrekvens. Men 4,77 MHz var rätt nära, och frekvensen kunde lätt åstadkommas med en "tv-kristall" vars frekvens delas med 3. Observera att det inte behövs någon pll, vi behöver ju bara räknaren. pll multiplicerar klockfrekvensen, medan räknaren dividerar den.

Nåväl, tv-kristallens saga är inte all. Den är grunden till klockgenereringen i moderna datorer. Moderna datorer behöver en uppsjö av frekvenser. Pci vill ha 33 MHz, USB 48 MHz, bussen vill ha allt mellan 133 och 1033 MHz, och processorn – så klart – vill ha en massa Hz. Därtill finns minne och diverse andra system med alla möjliga frekvenser. Förutom pll finns det ändamålsenliga metoder att göra "enkla" multiplikationer och divisioner av frekvenser. En vanlig pll multiplicerar ju bara med ett heltal, och en räknare dividerar likså endast med heltal. Ett närliggande koncept som bygger helt på räknare är dds – direct digital synthesis – varom vi inte ska gå in på här. Men, som sagt, att multiplicera eller dividera med 1/3 eller 1,5 och liknande kan göras i enkla små steg. Utsignalen från vår tv-kristall går in en klockgenereringskrets som från 14,318 MHz skapar allehanda behövliga frekvenser, 48 MHz till usb och säg 266 MHz till bussen. En vanlig krets som innehåller allt som behövs för att "skala" 14,318 MHz till alla frekvenser som behövs är RTM560-NNN där NNN är busshastigheten. Denna – eller motsvarande – återfinns på alla moderkort. Den huserar vanligen rätt centralt, nära nordbryggan, pci eller minnet.

Överklockning

Nu kan vi plötsligt förstå det gamla talet om busshastighet och "multiplar". Överklockarens dröm är en olåst processor. Processorn har en egen pll, och räknaren i denna pll är inställd i ett fast värde. Är processorn olåst, kan moderkortet "skicka in" ett värde till räknaren, och därmed kan man multipelöverklocka.

Även bussklockning innebär emellertid att man pillar med pll:er. Klockgenereringskretsen tar med dds-teknik ner tv-kristallens 14,318 MHz till 1 MHz, och med pll-teknik multipliceras denna (antagligen i flera steg) frekvens till [12 (isa)], 33 (pci), 48 (usb), 266 (enligt exempel) MHz. Processorns pll multiplicerar slutligen 266 MHz med säg 10, och får 2,660 GHz. När man "fsb-klockar", ökar man räknaren med ett steg, det vill säga 1 MHz. Jag har inte överklockat purfärska datorer, så jag vet inte med vilken frekvens som bussen kan inkrementeras. "Halvmultiplar" är möjliga därför att bussklockan halveras innan cpu:ns pll tar vid. En multipel på 12,5 är därför i verkligheten en heltalmultipel (25) av halva bussens hastighet.

Klockkristaller finns vanligen i området mellan 1 och 100 MHz. I stort sett alla andra frekvenser inom telefoni, bredband, radio, tv och så vidare är i allmänhet skapade av pll (högre) eller dds (lägre). Ett fåtal speciella frekvenser under 1 MHz tillhandahålles också, t.ex. 32 768 Hz för klockor. En sådan kristall, kallad just klockkristall används t.ex. i praktiskt taget alla armbandsur, digitala eller inte. Varför just 32 768? Tja, det är en jämn multipel av två (2^15) och det är utomordentligt enkelt att konstruera en räknare som dividerar med jämna multiplar av två. Att man inte har 1 Hz från början är för att sådana kristaller skulle vara knepiga att "slipa". De skulle bli stora, kräva massor av energi och inte bli särskilt exakta. Bordsklockor, till exempel klockradioapparater, tar i allmänhet sin referens från elnätets 50 Hz – som är mycket exakt – men det är minsann en annan historia.

Arvet från IBM PC

Vår tv-kristall är även ansvarig för några speciella egenheter som pc-plattformen alltid haft. De som programmerat känner nog till att klockan i en pc (den vanliga klockan alltså, som visar tiden) som kan användas som timer för att starta exempelvis interrupter har en högsta upplösning på 54,92 millisekunder. Varför? Detta beror på att de gamla operativsystemen från Dos till Windows Me använde tv-kristallens 14,318 MHz för att driva systemklockan. Genom att först dela frekvensen med 12 och få ungefär 1,19317 MHz och sedan använda en 16-bitarsräknare för att dela frekvensen med 65 536 erhålls en frekvens på 18,206 Hz, eller 54,92 ms. Ungefär en gång var 55:te millisekund uppdateras så en räknare som används i själva klockan. De som minns Dos-programmering kanske erinrar sig att den lägsta praktiska frekvensen från pc-speaker är 37 Hz, vilket råkar vara 2 * 18,206 avrundat uppåt. Det är inte en slump, det är tv-kristallens verk. Således divideras den lilla tv-kristallens frekvens med räknare och multipliceras med räknare och vco (pll), upp och ner, ner och upp, och förser alla datorns vrår med klocksignaler från någon hertz upp till flera gigahertz! En annan frekvens som förekommer ibland på vissa moderkort är 18,432 MHz.

På denna sida kan man läsa om en praktisk överklockning av gamla KT133-moderkort som bygger på direktmanipulering av klockgenereringskretsen. Observera 14,318 MHz-kristallen. På ett nyare moderkort är det kanske en annan klockgenerator eller kanske rentav en annan grundfrekvens, men principen är den samma. Problemet med att bara byta ut referensklockan är att till exempel usb slutar fungera. Den som ids kan göra om samma sak med ett nyare moderkort.

15

Fredagspanelen 127: Intel Kaby Lake, AMD Ryzen och Nintendo Switch

I första Fredagspanelen för året orerar Jonas och Jacob om Intels nylanserade processorfamilj Kaby Lake, AMD:s stundande lansering av Ryzen och Nintendos skeva prissättning av Switch. Läs mer

128

Titanfall-utvecklare: "Switch får lika dåligt tredjepartsstöd som Wii U"

På grund av klen hårdvara kommer Nintendo Switch gå samma öde till mötes som Wii U när det kommer till tredjepartsutvecklade spel, menar TItanfall-utvecklaren Mohammad Alavi. Läs mer

26

Windows 10 Creators Update gör det lättare att välja mellan olika energilägen

Till följd av efterfrågan från partnertillverkare kommer bärbara Windows 10-datorer få ett lätt åtkomligt reglage för olika energiprofiler med Creators Update. Läs mer

44

AOC avtäcker ultrabred 35-tumsskärm med 100 Hz

Det senaste tillskottet i AOC:s Agon-serie blir AG352UCG, en ultrabred spelskärm med 100 Hz bilduppdateringsfrekvens och Nvidia G-Sync. Läs mer

75

Nintendo Switch utan strömningstjänster vid lansering

Strömningstjänster som Netflix kommer inte stödjas av Nintendo Switch vid lansering. Detta då Nintendo i första hand vill se till att Switch blir en så bra spelkonsol som möjligt. Läs mer

85

LG och Sony slår spiken i kistan för 3D TV

Efter några år av pyspunka upphör de sista stora TV-tillverkarna med 3D i sina senaste modeller, för att istället lägga fokus på 4K UHD, HDR och smarta funktioner. Läs mer

8

Fulkultur om tecknade serier

Folkbildning utanför finkulturens salonger fortsätter när Fulkultur sänder nytt avsnitt, som idag handlar om tecknade serier. Läs mer

40

Test: Razer Deathadder Elite

Senast att äntra testlabbet är Razers uppdaterade Deathadder Elite, där utseendet känns igen från tidigare. Istället står en uppdaterad sensor och exklusiva brytare för nyheterna. Läs mer

30

LG G6 lanseras inför Mobile World Congress

Dagen innan Mobile World Congress i Barcelona håller LG evenemang för nya flaggskeppet G6, som bland annat får en 5,7-tumsskärm med bildförhållandet 18:9. Läs mer

44

Microsoft Surface Book lanseras i Sverige

Den bärbara hybriddatorn Surface Book från Microsoft uppdaterades under förra året med en ny modell med kraftfullare prestanda och lanseras under våren för första gången i Sverige. Läs mer

99

AMD hoppas bryta Intels dominans på servermarknaden med Zen

Med arkitekturen Zen hoppas AMD slå hål på Intels järngrepp om servermarknaden, detta genom att erbjuda upp till 32 kärnor till ett lägre pris. Läs mer

41

HTC Vives Lighthouse-fyrar uppdateras med ny design och lägre pris

Valve bekräftar att nya Lighthouse-fyrar släpps till HTC Vive senare i år, vilka tack vare en ny design ska bli billigare, tystare och mer energieffektiva. Läs mer