リアルタイムクロック

リアルタイム クロック( RTC )は、時間の経過を測定する 電子デバイス (ほとんどの場合、集積回路の形式) です。

この用語は、多くの場合、パーソナル コンピュータ、サーバー、組み込みシステム内のデバイスを指しますが、RTC は、正確な時刻を維持する必要があるほぼすべての電子デバイスに存在します。

リアルタイム クロックという用語は、デジタル エレクトロニクスを制御する信号のみであり、人間の単位で時間をカウントしない通常のハードウェア クロックとの混同を避けるために使用されます。RTC は、 3 文字の頭字語は同じですが、時刻に直接関係しない リアルタイム コンピューティングと混同しないでください。

RTCがなくても時刻を計測することは可能ですが、^[1] RTCを使用すると次のような利点があります。

• ハング、スリープ、再起動などのシステム障害状態、または十分なバックアップ電源が供給されている場合は完全なシャットダウンとハードウェアの再構築でも、時刻を再設定する必要なく、現在の時刻を確実に維持して提供します。
• 低消費電力^[2] （代替電源で動作する場合重要）
• メインシステムを時間的に重要なタスクのために解放します
• 他の方法よりも正確な場合もある

GPS受信機は、RTCに従って現在の時刻と最後に有効な信号を受信した時刻を比較することで、起動時間を短縮できます。^[3]数時間以内であれば、以前のエフェメリスはまだ使用できます。

一部のマザーボードは RTC なしで製造されています。コストを節約するため、またはハードウェア障害の原因を減らすために、RTC が省略されることがあります。

RTC は多くの場合、代替電源を備えているため、主電源がオフまたは利用できない場合でも時刻を刻み続けることができます。この代替電源は、古いシステムでは通常リチウム電池ですが、新しいシステムではスーパーキャパシタ[ ^{4] [5]が使用されています。これは、充電可能で}ハンダ付けできるためです。代替電源は、バッテリーバックアップされた RAMにも電力を供給することができます。^[6]

ほとんどのRTCは水晶発振器を使用していますが^{[7] [8] 、}電源ライン周波数を使用するオプションを備えたものもあります。^[9]水晶周波数は通常32.768 kHzで^{[7] 、}クオーツ時計や腕時計で使用されている周波数と同じです。 1秒あたり2 ^{15サイクルなので、単純なバイナリカウンタ回路で使用するのに便利なレートです。 周波数が低いため、人間の}可聴範囲を超えながらも電力を節約できます。 これらの水晶のクオーツ音叉は温度によってサイズがあまり変化しないため、温度によって周波数があまり変化しません。

一部のRTCは、RTCのシリコンチップ上にマイクロメカニカル共振器を使用しています。これにより、部品点数が減り、RTCのサイズとコストが削減されます。マイクロメカニカル共振器は、水晶共振器よりも温度に敏感です。そのため、これらは電子温度計と電子ロジックを使用して温度変化を補正します。^[10]

一般的な水晶RTCの精度仕様は±100～±20 ppm（1日あたり8.6～1.7秒）ですが、温度補償型RTC ICは5 ppm未満の精度で利用できます。^{[11] [12]実用的には、これは}クロノメーターの古典的なタスクである天体航法を実行するのに十分です。 2011年には、チップスケールの原子時計が利用可能になりました。はるかに高価で電力を消費しますが（120 mW対<1 μW）、50 ppm以内の精度で時間を維持します（5 × 10 ⁻¹¹）。^[13]

Epson、Intersil、IDT、Maxim、NXP Semiconductors、Texas Instruments、STMicroelectronics、Ricohなど、多くの集積回路メーカーが RTC を製造しています。シングルボード コンピュータで使用される一般的な RTC は、Maxim Integrated DS1307です。

RTCは1984年にIBM PC/ATによってPC互換機に導入され、モトローラMC146818 RTCが使用されました。^{[14] [15]}その後、ダラスセミコンダクタが互換RTCを製造しました。これは古いパーソナルコンピュータでよく使用され、特徴的な黒いバッテリーキャップとシルクスクリーンのロゴがあるため、マザーボード上で簡単に見つけることができます。PC RTCには標準のCMOSインターフェイスが用意されています。^[16]

新しいコンピュータシステムでは、RTCはサウスブリッジチップに統合されています。^{[17] [18]}

一部のマイクロコントローラにはリアルタイム クロックが組み込まれていますが、通常は他の多くの機能や周辺機器を備えたもののみに組み込まれています。

最近のコンピュータの中には、デジタルラジオで時計情報を受信し、それを使って時間標準を推進しているものがあります。一般的な方法は2つあります。ほとんどの携帯電話プロトコル（LTEなど）は、現在の現地時間を直接提供します。インターネットラジオが利用できる場合、コンピュータはネットワークタイムプロトコルを使用できます。ローカルタイムサーバーとして使用されるコンピュータは、 GPS ^[19]や国家標準化機構が放送する超低周波無線送信（つまり、ラジオクロック^[20] ）を使用することがあります。

次のシステムは、RTC が存在しないシステムに RTC を構築しなければならないことがある組み込みシステムのプログラマーにはよく知られています。ほとんどのコンピューターには、水晶またはセラミック共振器からのタイミング信号を使用するハードウェア タイマーが 1 つ以上あります。これらの絶対タイミングは不正確ですが (100 万分の 1 以上)、再現性は非常に高くなっています (多くの場合 1 ppm 未満)。ソフトウェアで計算を行って、これらを正確な RTC にすることができます。ハードウェア タイマーは、たとえば 50  Hzなどの定期的な割り込みを生成して、従来の RTC を模倣することができます (以下を参照)。ただし、タイミング チェーンの精度を調整するには計算を使用します。

時間 = 時間 + 速度。

「時間」変数が定数（通常は 2 の累乗）を超えると、計算された公称クロック時間（たとえば 1/50 秒）が「時間」から減算され、クロックのタイミング チェーン ソフトウェアが呼び出されて秒の小数部、秒数などがカウントされます。時間と速度の 32ビット変数を使用すると、「速度」の数学的解像度は 10 億分の 1 を超えることができます。クロックは、時折 1 秒の小数部をスキップしたり、2 つの小数部で増加したりするため、正確さが保たれます。このわずかなスキップ（「ジッター」）は、RTC の実際の使用のほとんどで感知されません。

このシステムの複雑さは、変数「レート」の瞬間的な修正値を決定することです。最も単純なシステムは、時計の 2 つの設定間の RTC 時間と基準時間を追跡し、基準時間を RTC 時間で割って「レート」を見つけます。インターネット時間は 20 ミリ秒未満の精度であることが多いため、設定間の間隔が 8000 秒以上 (2.2 時間以上) であれば、通常、40 ミリ秒 (またはそれ以下) の誤差を 5 百万分の 1 未満に分割してクロノメーターのような精度を得ることができます。このシステムの主な複雑さは、日付と時刻を秒数に変換することですが、その方法はよく知られています。^[21]

ユニットがオフのときに RTC が動作する場合、通常、RTC はユニットがオンのときとオフのときの 2 つの速度で動作します。これは、各状態の温度と電源電圧が一定であるためです。これらの状態を調整するために、ソフトウェアは 2 つの速度を計算します。まず、ソフトウェアは、クロックが設定された最後の 3 回の間の 2 つの間隔について、RTC 時間、基準時間、オン秒数、オフ秒数を記録します。これを使用して、2 つの間隔の精度を測定できます。間隔ごとに、オン秒数とオフ秒数の分布が異なります。速度計算では、2 つの線形方程式を解いて、オンとオフの 2 つの速度を計算します。

別のアプローチでは、電子温度計 (サーミスタとアナログ/デジタル コンバータなど) を使用して発振器の温度を測定し、多項式を使用して1 分あたり約 1 回の「速度」を計算します。この方法では、複数の温度で周波数を測定するキャリブレーションと、温度の方程式を見つけるための線形回帰が必要です。システムで最も一般的な水晶は SC カット水晶で、温度に対するその速度は 3 次多項式で特徴付けることができます。したがって、これらをキャリブレーションするには、周波数を 4 つの温度で測定します。時計や多くの RTC コンポーネントで使用される一般的な音叉型水晶は、放物線 (2 次) の温度方程式を持ち、3 回の測定だけでキャリブレーションできます。MEMS発振器は、機械設計に応じて 3 次から 5 次多項式まで変化するため、4 回から 6 回のキャリブレーション測定が必要です。このようなアプローチは、商用 RTC IC で使用される可能性がありますが、効率的な高速製造の実際の方法は独自のものです。

小型のIBM System/360s、^[22]、PDP-8s ^[23]、Novasなどの一部のコンピュータ設計では、正確でシンプル、低コストのリアルタイムクロックが使用されていました。ヨーロッパ、北米、その他のグリッドでは、AC主電源の周波数は、国家標準の長期周波数精度に合わせて調整されています。これらのグリッドでは、AC主電源を使用するクロックは調整なしで完璧な時間を保つことができます。このようなクロックは、AC主電源の周波数を調整しないポータブルコンピュータやグリッド（南アジアなど）では実用的ではありません。

これらのコンピュータの電源は、変圧器または抵抗分割器を使用して、ロジック電圧で正弦波を生成します。この信号は、リニア アンプまたはシュミット トリガーのいずれかを使用したゼロ交差検出器によって調整されます。その結果、主電源周波数で単一の高速エッジを持つ方形波が生成されます。このロジック信号が割り込みをトリガーします。割り込み ハンドラー ソフトウェアは通常、サイクル、秒などをカウントします。このようにして、完全なクロックとカレンダーを提供できます。IBM 360 では、割り込みは、標準化されたシステム ソフトウェアによって使用される 64 ビットのマイクロ秒数を更新します。クロックがサイクルごとではなくゼロ交差ごとに割り込みする場合、クロックのジッター エラーは半分になります。

クロックは通常、コンピュータのソフトウェア タイミング チェーンの基礎にもなります。たとえば、通常、クロックはオペレーティング システムでタスクを切り替えるために使用されるタイマーです。現代のコンピュータで使用されているカウント タイマーは、精度は低いものの同様の機能を提供しており、その要件はこのタイプのクロックに由来している可能性があります。(たとえば、PDP-8 では、主電源ベースのクロック モデル DK8EA が最初に登場し、その後、水晶ベースのクロック DK8EC が登場しました。)

ソフトウェア ベースのクロックは、コンピュータの電源を入れるたびに設定する必要があります。これはもともとコンピュータ オペレータによって行われていました。インターネットが普及すると、ネットワーク タイム プロトコルを使用して、このタイプのクロックを自動的に設定するようになりました。

• 水晶発振器の周波数
• 高精度イベントタイマー
• IRQ8 8ビット
• リアルタイムクロックアラーム
• システム時間
• 時刻のフォーマットと保存に関するバグ
• タイマー
• 壁時計の時間

• ウィキメディア・コモンズのリアルタイムクロックに関連するメディア