ساعة الوقت الحقيقي

تستقبل بعض الحواسيب الحديثة معلومات الساعة عبر الراديو الرقمي وتستخدمها لتعزيز معايير التوقيت. هناك طريقتان شائعتان: توفر معظم بروتوكولات الهواتف المحمولة (مثل LTE ) التوقيت المحلي الحالي مباشرةً. في حال توفر راديو الإنترنت، يمكن للحاسوب استخدام بروتوكول توقيت الشبكة . تستخدم الحواسيب التي تعمل كخوادم توقيت محلية أحيانًا نظام تحديد المواقع العالمي ( GPS ) ^{[ 19 ]} أو بثًا لاسلكيًا بتردد منخفض للغاية تبثه منظمة معايير وطنية (أي ساعة راديوية ^{[ 20 ]} ).

النظام التالي معروف جيدًا لمبرمجي الأنظمة المدمجة ، الذين يضطرون أحيانًا إلى إنشاء ساعات توقيت حقيقية (RTCs) في الأنظمة التي تفتقر إليها. تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر على مؤقت واحد أو أكثر يستخدم إشارات توقيت من بلورات الكوارتز أو رنانات السيراميك . تتميز هذه المؤقتات بدقة توقيت مطلقة غير دقيقة (أكثر من 100 جزء في المليون)، ولكنها قابلة للتكرار بدرجة عالية (غالبًا أقل من جزء واحد  في المليون). يمكن للبرمجيات إجراء العمليات الحسابية اللازمة لتحويل هذه الإشارات إلى ساعات توقيت حقيقية دقيقة. يمكن للمؤقت المادي توليد مقاطعة دورية، على سبيل المثال، بتردد 50 هرتز ، لمحاكاة ساعة توقيت حقيقية تاريخية (انظر أدناه). ومع ذلك، فإنه يستخدم العمليات الحسابية لضبط سلسلة التوقيت لتحقيق الدقة المطلوبة. 

${\displaystyle time=time+rate}$

عندما يتجاوز متغير الوقت قيمة ثابتة، عادةً ما تكون قوة من قوى العدد اثنين، يُطرح وقت الساعة الاسمي المحسوب (مثلاً، لـ 1/50 من الثانية) من الوقت ، ويُستدعى برنامج سلسلة التوقيت الخاص بالساعة لحساب أجزاء الثانية، والثواني، وهكذا. مع متغيرات 32 بت للوقت والمعدل، يمكن أن تتجاوز الدقة الرياضية لـ "المعدل" جزءًا واحدًا من المليار. تظل الساعة دقيقة لأنها ستتخطى أحيانًا جزءًا من الثانية أو تزيد بمقدار جزأين. هذا التخطي الطفيف ( الارتعاش ) غير محسوس في جميع الاستخدامات العملية تقريبًا لساعة الوقت الحقيقي.

يكمن تعقيد هذا النظام في تحديد القيمة المصححة اللحظية لمعدل التغير . أبسط نظام يتتبع وقت الساعة الحقيقية (RTC) والوقت المرجعي بين ضبطين للساعة، ثم يقسم الوقت المرجعي على وقت الساعة الحقيقية لحساب المعدل . غالبًا ما تكون دقة توقيت الإنترنت أقل من 20 مللي ثانية، لذا فإن 8000 ثانية أو أكثر (2.2 ساعة أو أكثر) من الفاصل الزمني بين الضبطين يمكن عادةً من خلاله تقليل هامش الخطأ البالغ 40 مللي ثانية (أو أقل) إلى أقل من 5 أجزاء في المليون للحصول على دقة مماثلة لدقة الكرونومتر. يتمثل التعقيد الرئيسي في هذا النظام في تحويل التواريخ والأوقات إلى عدد الثواني، ولكن توجد طرق معروفة جيدًا لتحقيق ذلك. ^{[ 21 ]}

إذا كان جهاز الساعة يعمل عند إيقاف تشغيل الوحدة، فعادةً ما يعمل بمعدلين، أحدهما عند تشغيل الوحدة والآخر عند إيقاف تشغيلها. وذلك لأن درجة الحرارة وجهد مصدر الطاقة ثابتان في كلتا الحالتين. ولمعالجة هذه الحالات، يحسب البرنامج معدلين. أولًا، يسجل البرنامج وقت الساعة، والوقت المرجعي، وعدد ثواني التشغيل، وعدد ثواني الإيقاف للفترتين الزمنيتين بين آخر ثلاث مرات تم فيها ضبط الساعة. وباستخدام هذه البيانات، يمكن قياس دقة الفترتين، حيث تختلف كل فترة في توزيع ثواني التشغيل والإيقاف. ويحل البرنامج معادلتين خطيتين لحساب المعدلين، أحدهما عند التشغيل والآخر عند الإيقاف.

تعتمد طريقة أخرى على قياس درجة حرارة المذبذب باستخدام مقياس حرارة إلكتروني (مثل الثرمستور ومحول تناظري رقمي )، وتستخدم معادلة متعددة الحدود لحساب معدل التغير، والذي يبلغ حوالي مرة واحدة في الدقيقة. تتطلب هذه الطريقة معايرةً لقياس التردد عند درجات حرارة متعددة، ثم استخدام الانحدار الخطي لإيجاد معادلة درجة الحرارة. تُعد بلورات الكوارتز ذات القطع SC الأكثر شيوعًا في الأنظمة، ويمكن وصف معدلات تغيرها مع درجة الحرارة باستخدام معادلة متعددة الحدود من الدرجة الثالثة. لذا، لمعايرة هذه البلورات، يُقاس التردد عند أربع درجات حرارة. أما البلورات الشائعة ذات الشكل الشوكي الرنان، المستخدمة في الساعات والعديد من مكونات الساعة الحقيقية، فلها معادلات درجة حرارة مكافئة (من الدرجة الثانية)، ويمكن معايرتها بثلاث قياسات فقط. وتتراوح معادلات درجة حرارة مذبذبات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) من الدرجة الثالثة إلى الخامسة، وذلك تبعًا لتصميمها الميكانيكي، وبالتالي فهي تحتاج إلى ما بين أربعة إلى ستة قياسات معايرة. قد يتم استخدام شيء من هذا القبيل في الدوائر المتكاملة التجارية للساعة الحقيقية، لكن الطرق الفعلية للتصنيع عالي السرعة بكفاءة هي ملكية خاصة.

استخدمت بعض تصميمات الحواسيب ، مثل نظام IBM System/360 الأصغر حجمًا ^{[ 22 ]} و PDP-8 ^{[ 23 ]} و Data General Nova، ساعةً تعمل في الوقت الحقيقي، تميزت بالدقة والبساطة وانخفاض التكلفة. في أوروبا وأمريكا الشمالية وبعض الشبكات الأخرى، يُضبط تردد التيار المتردد الرئيسي وفقًا لدقة التردد طويلة المدى للمعايير الوطنية. في هذه الشبكات، يمكن للساعات التي تعمل بالتيار المتردد الرئيسي أن تحافظ على دقة التوقيت دون الحاجة إلى تعديل. لكن هذه الساعات غير عملية في الحواسيب المحمولة أو الشبكات (مثل تلك الموجودة في جنوب آسيا) التي لا تنظم تردد التيار المتردد الرئيسي.

تستخدم وحدات تزويد الطاقة في هذه الحواسيب محولًا أو مقسم مقاومة لإنتاج موجة جيبية بفولتيات منطقية. تُهيأ هذه الإشارة بواسطة كاشف عبور الصفر، إما باستخدام مضخم خطي أو مُشغّل شميت . والنتيجة هي موجة مربعة ذات حواف سريعة مفردة بتردد التيار الكهربائي. تُفعّل هذه الإشارة المنطقية مقاطعة. عادةً ما يحسب برنامج معالجة المقاطعة الدورات والثواني، وما إلى ذلك. وبهذه الطريقة، يمكنه توفير ساعة وتقويم كاملين. في جهاز IBM 360، تُحدّث المقاطعة عدّادًا من 64 بت للمايكروثانية تستخدمه برامج الأنظمة القياسية. ينخفض ​​خطأ ارتعاش الساعة إلى النصف إذا قاطعت الساعة كل عبور للصفر، بدلًا من كل دورة.

كانت الساعة تُشكّل عادةً أساس سلاسل التوقيت البرمجية في الحواسيب؛ فعلى سبيل المثال، كانت تُستخدم عادةً كمؤقت لتبديل المهام في نظام التشغيل. توفر مؤقتات العد المستخدمة في الحواسيب الحديثة ميزات مماثلة بدقة أقل، وقد تعود متطلباتها إلى هذا النوع من الساعات. (على سبيل المثال، في جهاز PDP-8، كانت الساعة التي تعمل بالتيار الكهربائي، طراز DK8EA، هي الأولى، وتلتها لاحقًا ساعة تعمل بالبلورات، طراز DK8EC).

يجب ضبط الساعة البرمجية في كل مرة يتم فيها تشغيل جهاز الكمبيوتر. في الأصل، كان مشغلو الكمبيوتر يقومون بذلك. وعندما أصبح الإنترنت شائعًا، تم استخدام بروتوكولات وقت الشبكة لضبط الساعات من هذا النوع تلقائيًا.