Reloj en tiempo real

Algunos ordenadores modernos reciben información horaria mediante radio digital y la utilizan para promover estándares de tiempo. Existen dos métodos comunes: la mayoría de los protocolos de telefonía móvil (p. ej., LTE ) proporcionan directamente la hora local actual. Si se dispone de radio por internet, un ordenador puede utilizar el protocolo de tiempo de red . Los ordenadores utilizados como servidores de hora local a veces utilizan GPS ^{[ 19 ]} o transmisiones de radio de frecuencia ultrabaja emitidas por una organización nacional de estándares (es decir, un reloj de radio ^{[ 20 ]} ).

El siguiente sistema es bien conocido por los programadores de sistemas embebidos , quienes a veces deben construir RTC en sistemas que carecen de ellos. La mayoría de las computadoras tienen uno o más temporizadores de hardware que utilizan señales de temporización de cristales de cuarzo o resonadores cerámicos . Estos tienen una temporización absoluta imprecisa (más de 100 partes por millón), pero muy repetible (a menudo menos de 1  ppm). El software puede realizar los cálculos necesarios para convertirlos en RTC precisos. El temporizador de hardware puede generar una interrupción periódica, por ejemplo, de 50 Hz , para imitar un RTC histórico (véase más abajo). Sin embargo, utiliza cálculos matemáticos para ajustar la cadena de temporización y lograr la precisión deseada. 

${\displaystyle tiempo=tiempo+tasa}$

Cuando la variable de tiempo excede una constante, generalmente una potencia de dos, el tiempo nominal calculado (por ejemplo, para 1/50 de segundo) se resta del tiempo , y se invoca el software de la cadena de temporización del reloj para contar fracciones de segundo, segundos, etc. Con variables de 32 bits para el tiempo y la frecuencia, la resolución matemática de la "frecuencia" puede superar una parte por mil millones. El reloj se mantiene preciso porque ocasionalmente omite una fracción de segundo o se incrementa en dos fracciones. Esta pequeña omisión ( jitter ) es imperceptible para casi todos los usos reales de un RTC.

La complejidad de este sistema radica en determinar el valor instantáneo corregido para la tasa variable . El sistema más simple rastrea el tiempo RTC y el tiempo de referencia entre dos configuraciones del reloj, y divide el tiempo de referencia entre el tiempo RTC para hallar la tasa . El tiempo de Internet suele tener una precisión inferior a 20 milisegundos, por lo que una separación de 8000 segundos o más (2,2 horas o más) entre configuraciones generalmente permite dividir el error de cuarenta milisegundos (o menos) a menos de 5 partes por millón para obtener una precisión similar a la de un cronómetro. La principal complejidad de este sistema reside en convertir fechas y horas a segundos, pero existen métodos bien conocidos para ello. ^{[ 21 ]}

Si el RTC funciona cuando la unidad está apagada, normalmente funcionará a dos frecuencias: una cuando la unidad está encendida y otra cuando está apagada. Esto se debe a que la temperatura y la tensión de alimentación son constantes en cada estado. Para ajustarse a estos estados, el software calcula dos frecuencias. Primero, registra la hora del RTC, la hora de referencia, los segundos de encendido y los segundos de apagado para los dos intervalos entre las últimas tres veces que se configuró el reloj. Con esta información, puede medir la precisión de los dos intervalos, ya que cada intervalo tiene una distribución diferente de segundos de encendido y apagado. El cálculo de la frecuencia resuelve dos ecuaciones lineales para obtener dos frecuencias: una para encendido y otra para apagado.

Otro método consiste en medir la temperatura del oscilador con un termómetro electrónico (por ejemplo, un termistor y un convertidor analógico-digital ) y utilizar un polinomio para calcular la frecuencia aproximadamente una vez por minuto. Estos métodos requieren una calibración que mide la frecuencia a varias temperaturas y, posteriormente, una regresión lineal para hallar la ecuación de temperatura. Los cristales de cuarzo más comunes en un sistema son los de corte SC, y su frecuencia en función de la temperatura se puede caracterizar mediante un polinomio de tercer grado. Por lo tanto, para calibrarlos, se mide la frecuencia a cuatro temperaturas. Los cristales comunes tipo diapasón utilizados en relojes y muchos componentes RTC tienen ecuaciones de temperatura parabólicas (de segundo grado) y se pueden calibrar con solo tres mediciones. Los osciladores MEMS varían entre polinomios de tercer y quinto grado, según su diseño mecánico, por lo que requieren de cuatro a seis mediciones de calibración. Un método similar podría utilizarse en circuitos integrados RTC comerciales, pero los métodos reales de fabricación eficiente a alta velocidad son propiedad de la empresa.

Algunos diseños de computadoras, como la IBM System/360 ^{[ 22 ]} , la PDP-8 ^{[ 23 ]} y la Data General Nova, utilizaban un reloj en tiempo real que era preciso, sencillo y de bajo costo. En Europa, Norteamérica y otras redes eléctricas, la frecuencia de la red de CA se ajusta a la precisión de frecuencia a largo plazo de los estándares nacionales. En esas redes, los relojes que utilizan la red de CA pueden mantener la hora con precisión sin necesidad de ajustes. Dichos relojes no son prácticos en computadoras portátiles ni en redes (por ejemplo, en el sur de Asia) que no regulan la frecuencia de la red de CA.

Las fuentes de alimentación de estos ordenadores utilizan un transformador o un divisor de tensión resistivo para generar una onda sinusoidal a voltajes lógicos. Esta señal se acondiciona mediante un detector de cruce por cero, ya sea con un amplificador lineal o un disparador Schmitt . El resultado es una onda cuadrada con flancos rápidos y únicos a la frecuencia de la red eléctrica. Esta señal lógica activa una interrupción. El software de gestión de interrupciones suele contar ciclos, segundos, etc. De esta forma, puede proporcionar un reloj y un calendario completos. En el IBM 360, la interrupción actualiza un contador de 64 bits de microsegundos utilizado por el software de sistema estandarizado. El error de fluctuación del reloj se reduce a la mitad si la interrupción se produce por cada cruce por cero, en lugar de por cada ciclo.

El reloj también solía constituir la base de las cadenas de temporización del software de los ordenadores; por ejemplo, era el temporizador que se utilizaba para cambiar de tarea en un sistema operativo. Los temporizadores de conteo utilizados en los ordenadores modernos ofrecen funciones similares con menor precisión y es posible que sus requisitos se deriven de este tipo de reloj. (Por ejemplo, en el PDP-8, el reloj alimentado por la red eléctrica, modelo DK8EA, fue el primero en aparecer, seguido posteriormente por un reloj basado en cristal, el DK8EC).

Un reloj basado en software debe configurarse cada vez que se enciende el ordenador. Originalmente, esta tarea la realizaban los operadores informáticos. Cuando Internet se popularizó, se empezaron a utilizar protocolos de tiempo de red para configurar automáticamente este tipo de relojes.