时钟频率的生成机制

蔺滢

       一首美妙的乐曲会有一个主旋律，而电脑的主旋律就是CPU的时钟频率。主频、外频和倍频，它们从何而来？锁频、超频，又是怎么回事呢？ 电脑中有许许多多的半导体芯片，每个芯片都是在特定的时钟频率下进行工作的。时钟发生器提供给芯片的时钟信号是一个连续的脉冲信号，而脉冲就相当于芯片的脉搏，每一次脉冲到来，芯片内的晶体管就改变一次状态，让整个芯片完成一定任务。 电脑中的芯片绝大多数属于数字逻辑芯片，数字芯片中众多的晶体管全都工作在开关状态，它们的导通和关断动作无不是按照时钟信号的节奏进行的。如果时钟频率过高，就可能出现晶体管的状态来不及变化的情况，产生死锁或随机性误操作。所以，每一款芯片都有自己的频率极限。
　　频率是什么
　　频率用f表示，基本单位为“1次/秒”，记做Hz（赫兹）。1Hz就是每秒一次，10Hz是每秒10次。不过，Hz这个单位在电脑里面太小了，因此通常以KHz、MHz或GHz来表示信号频率。随着频率的攀升，若干年以后恐怕需要使用THz作为频率的单位了。
　　1.周期与频率 在电脑技术中，与频率相对应的一个常用术语是周期。周期是频率的倒数，频率越高，周期越短。譬如时钟频率为1GHz时，其时钟周期为1纳秒。
　　2.带宽与频率 与频率相关的另一个参数是数据传输率，也称为“带宽”，用于衡量数据通信速度的快慢。通常情况下，带宽=时钟频率×(位宽÷8)。譬如PCI总线的时钟频率为33.33MHz，因其位宽为32bit，所以其带宽为33.33×(32÷8)=133MB/s。
　　3.CPU的频率： 在286及以前的电脑中，CPU的频率与外部总线的频率相同。Intel 386电脑中采用了时钟分频方式，时钟电路提供给CPU的时钟信号的频率33MHz，而CPU内部则以66MHz的频率工作。Intel 80486 DX2则采用倍频方式，它允许CPU以2倍或3倍于外部总线的速度运行，但仍以原有时钟频率与外界通讯。进入Pentium时代以后，倍频技术获得广泛应用，处理器的倍频已达20倍。 系统时钟频率：通常也称作“外频”——CPU外部总线的时钟频率。外频由频率合成器芯片提供，后文将对频率合成器芯片进行详细介绍。主频：主频是CPU内核(整数和浮点运算器)电路的实际运行频率，由外频(或前端总线频率)与倍率共同决定，也即：主频=外频×倍率。 前端总线频率：前端总线(Front Side Bus，FSB)频率是CPU和北桥芯片间进行数据交换的频率，它与外频既有联系，又有区别。外频是前端总线时钟信号的频率，而前端总线频率是指数据传输的频率。对于Pentium 4处理器来说，由于采用了QDR(Quad Data Rate，4倍数据比率)技术，1个时钟周期内可以传输4次数据，所以前端总线频率相当于外频的4倍：FSB 800MHz的处理器，外频只有200MHz。
　　谁在产生频率 我们可以将作为频率源的时钟信号发生器看作电脑的心脏。只有心脏跳动起来，电脑才能工作。
　　1.振荡源：晶体振荡器 芯片本身通常并不具备时钟信号源，因此须由专门的时钟电路提供时钟信号，石英晶体振荡器(Quartz Crystal OSC)就是一种的时钟信号振荡源。 石英晶体就是纯净的二氧化硅，是二氧化硅的单晶体，即我们常说的水晶。石英晶体有天然(Crude)晶体和人工合成(synthetic)晶体两种。天然石英晶体的杂质含量和形态等大多并不统一，因此电子线路中的晶体振荡器多使用人造石英晶体。 从一块晶体上按一定的方位角切下薄片(称为“晶片”)，在晶片的两个表面上涂覆一层薄薄的银层后接上一对金属板，焊接引脚，并用金属外壳封装，就构成了石英晶体振荡器。 石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(由晶片的尺寸和形状决定)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。 压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。一个串联型振荡器，晶体管T1和T2构成的两级放大器，石英晶体XT与电容C2构成LC电路。在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。该振荡器供电电压为5V，输出波形为方波。 石英晶体振荡器的频率稳定度可达10^-9/日，甚至10^-11。例如10MHz的振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。因此，可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源(石英表、电子表中都是利用石英晶体来做计时的基准频率)。从PC诞生至今，主板上一直都使用一颗14.318MHz的石英晶体振荡器作为基准频率源。至于始终沿用14.318MHz这个频率的原因，或许是保持兼容性的需要吧。但是，笔者在显卡、闪存盘和手机中也发现了14.318MHz的晶振，就不知道是什么原因了。 主板上除了这颗14.318MHz的晶振，还能找到一颗频率为32.768KHz的晶振，它被用于实时时钟(RTC)电路中，显示精确的时间和日期。
　　2.分频器与倍频器 将脉冲频率降低n倍，这就是分频器的作用。在代PC机中，石英晶体振荡器输出的频率为14.318MHz，而Intel 8086处理器的主频为4.77MHz，后者刚好是前者的1/3。变换频率的工作是在Intel 8284(时钟发生器/驱动器)中完成的，因为Intel 8284芯片中集成了三分频电路，能够将晶体振荡器产生的脉冲信号降低3倍后，提供给CPU和外设 随着CPU主频的提高，需要将晶体振荡器提高若干倍才能满足CPU的需要，于是在时钟电路中倍频器取代了分频器的位置。如果说分频器进行的是除法运算，倍频器则进行了乘法运算，它将晶体振荡器的频率提高n倍。
　　时钟芯片：可编程的频率合成器 整合的时钟电路，是硬件技术进步的一个标志。电脑中的不同设备对时钟频率的要求是不一样的，如果你从废物箱中找来一块286主板，可以看到有好几颗晶振排列在一起。电脑中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盘接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差异，所以需要提供不同的时钟频率，譬如PCI要求33MHz、USB为48MHz等。可是，一只石英振荡器只能提供一种频率，所以主板制造商通常将这些原本散布在主机板上各处的振荡电路整合成一颗“频率合成器(Frequency Synthesizer)”芯片，对晶体振荡器产生的脉冲信号进行分频(或倍频)，以便为不同运行速度的芯片(或设备)提供所需要的时钟频率。 普通分频器为整数分频器，其输出频率与输入频率之间为整数倍的关系，只能分段调节频率，不能满足精密调节的要求。频率合成器是“分数分频器”，可对输出频率进行精细调节。研发工程师可自由地设计电路中的各种频率，不再受限于石英震荡晶体的固定频率规格。电脑中的时钟芯片一般都具有“分数分频”能力，可以根据需要将调节步长设计到1%，甚至0.1%。为了指导和规范频率合成器的设计和应用，Intel制定了频率合成器设计指南，如CK97、CK40X等。

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