Hardware-Uhr

Die Funktionalität ist prinzipiell ähnlich der einer Digital-Quarzuhr-Schaltung. Es läuft ein Zähler, von einem Schwingquarz getaktet. Ein angeschlossener Mikroprozessor oder -controller liest dann die Registerstände aus, um sie weiterzuverarbeiten.

Eine Hardware-Uhr ist ein Chip, der im Wesentlichen Zählerregister und einen Uhrenquarz als Taktgeber enthält. Der Zähler wird bei jedem Takt des Frequenzgebers erhöht. Um die Zähler einfach zu halten, wird häufig eine Frequenz des Taktgebers von 32.768 Hz gewählt. Damit kann auf einfache Art durch wiederholtes Halbieren eine Frequenz von 1 Hz als Sekundentakt erzeugt werden. Damit die Uhr nicht stehenbleibt, wenn das Gerät ausgeschaltet wird, wird der Chip ständig von einem Energiespeicher, also einer Batterie oder einem Akku, versorgt. Die dabei benötigten Schwingquarze sind oft Uhrenquarze und werden in sehr großen Stückzahlen produziert und sind daher besonders preisgünstig. Außerdem sind CMOS-Schaltungen bei solch niedrigen Frequenzen besonders stromsparend, was für die Lebensdauer der Batterie bzw. der Akkuladung wichtig ist.

Software-Uhr

Bei einer Software-Uhr kommt das Taktsignal über eine Unterbrechungsanforderung (Interrupt Request) von der Hardware, der Zähler wird vom Betriebssystem (also der Software) geführt und in Datum und Uhrzeit umgerechnet. Die Bedingung, dass die Uhr bei ausgeschaltetem Gerät weiterläuft, ist somit nicht gegeben. Die Software-Uhr muss also nach dem Einschalten erst synchronisiert werden. Sie wird mit der Hardware-Uhr oder auch fortlaufend mit einem Zeitserver abgeglichen.

In einem PC arbeitet das Betriebssystem nach dem Booten ausschließlich mit der Software-Uhr weiter. Wird im Betriebssystem die Uhrzeit vom Benutzer oder von einem Zeitserver geändert, so wird die Hardware-Uhr, oft auch als BIOS-Uhr bezeichnet, vom Betriebssystem ebenfalls geändert. Die Uhrzeit der Echtzeituhr besteht zunächst nur aus einem Zählerstand (meistens in Sekunden seit der Unix-Epoche). Die Umrechnung in eine für Menschen verständliche Form sowie die Einbeziehung von Zeitzonen und Schaltjahren wird vom Betriebssystem übernommen. Viele Uhren-Chips jedoch enthalten Register, die die Uhrzeit im vom Menschen gewohnten Format (Sekunden, Minuten, Stunden, Tag, Monat, Jahr (oft nur zweistellig), Wochentag) fortschreiben. Einfache Mikrocontroller-Systeme können direkt mit diesen Werten arbeiten. In komplexeren Systemen (wie Betriebssystemen) werden die ausgelesenen Werte jedoch meist in ein Sekundenformat (wie die Unixzeit) umgewandelt, das erst bei der Ausgabe wieder in ein vom Menschen verständliches Format zurückgewandelt wird.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Echtzeituhr eines Computers bzw. einer Mikrocontroller-Systems mit der tatsächlichen Uhrzeit zu synchronisieren. Sofern ein Zugang zum Internet zur Verfügung steht, ist das verbreitetste Verfahren, die Uhrzeit von einem oder mehreren Zeitservern zu erfragen und zusätzlich durch geschickte Umrechnungen die Verzögerung durch die Übertragungszeit auszugleichen. Siehe dazu Cristians Algorithmus, Berkeley-Algorithmus und das Network Time Protocol. Andere Möglichkeiten sind, das Signal eines Zeitzeichensenders (z. B. DCF77) auszuwerten oder die Uhr vom Benutzer manuell einstellen zu lassen.

Alternative Schaltung

In einigen Geräten wird, um den Quarz und die Batterie einzusparen, als Zeitreferenz die Frequenz der Netzspannung genutzt. Sie wird zwischen Transformator und Gleichrichter kapazitiv entkoppelt und auf den Sekundentakt geteilt (/50 oder /60 je nach Netzfrequenz). Auch hier läuft die Uhr bei ausgeschaltetem Gerät zumeist nicht weiter. Ggf. werden Stromausfälle über einen ungenauen und driftenden RC-Oszillator überbrückt, sofern diese Teilschaltung implementiert ist.