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一首美妙的樂曲會(huì)有一個(gè)主旋律，而電腦的主旋律就是CPU的時(shí)鐘頻率。主頻、外頻和倍頻，它們從何而來？鎖頻、超頻，又是怎么回事呢？
電腦中有許許多多的半導(dǎo)體芯片，每個(gè)芯片都是在特定的時(shí)鐘頻率下進(jìn)行工作的。時(shí)鐘發(fā)生器提供給芯片的時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)，而脈沖就相當(dāng)于芯片的脈搏，每一次脈沖到來，芯片內(nèi)的晶體管就改變一次狀態(tài)，讓整個(gè)芯片完成一定任務(wù)。
電腦中的芯片絕大多數(shù)屬于數(shù)字邏輯芯片，數(shù)字芯片中眾多的晶體管全都工作在開關(guān)狀態(tài)，它們的導(dǎo)通和關(guān)斷動(dòng)作無不是按照時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)奏進(jìn)行的。如果時(shí)鐘頻率過高，就可能出現(xiàn)晶體管的狀態(tài)來不及變化的情況，產(chǎn)生死鎖或隨機(jī)性誤操作。所以，每一款芯片都有自己的頻率極限。

頻率是什么

頻率用f表示，基本單位為“1次/秒”，記做Hz（赫茲）。1Hz就是每秒一次，10Hz是每秒10次。不過，Hz這個(gè)單位在電腦里面太小了，因此通常以KHz、MHz或GHz來表示信號(hào)頻率。隨著頻率的攀升，若干年以后恐怕需要使用THz作為頻率的單位了。

1.周期與頻率
在電腦技術(shù)中，與頻率相對(duì)應(yīng)的一個(gè)常用術(shù)語是周期。周期是頻率的倒數(shù)，頻率越高，周期越短。譬如時(shí)鐘頻率為1GHz時(shí)，其時(shí)鐘周期為1納秒。

2.帶寬與頻率
與頻率相關(guān)的另一個(gè)參數(shù)是數(shù)據(jù)傳輸率，也稱為“帶寬”，用于衡量數(shù)據(jù)通信速度的快慢。通常情況下，帶寬=時(shí)鐘頻率×(位寬÷8)。譬如PCI總線的時(shí)鐘頻率為33.33MHz，因其位寬為32bit，所以其帶寬為33.33×(32÷8)=133MB/s。

3.CPU的頻率： 在286及以前的電腦中，CPU的頻率與外部總線的頻率相同。Intel 386電腦中采用了時(shí)鐘分頻方式，時(shí)鐘電路提供給CPU的時(shí)鐘信號(hào)的頻率33MHz，而CPU內(nèi)部則以66MHz的頻率工作。Intel 80486 DX2則采用倍頻方式，它允許CPU以2倍或3倍于外部總線的速度運(yùn)行，但仍以原有時(shí)鐘頻率與外界通訊。進(jìn)入Pentium時(shí)代以后，倍頻技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，處理器的倍頻已達(dá)20倍。
系統(tǒng)時(shí)鐘頻率：通常也稱作“外頻”——CPU外部總線的時(shí)鐘頻率。外頻由頻率合成器芯片提供，后文將對(duì)頻率合成器芯片進(jìn)行詳細(xì)介紹。主頻：主頻是CPU內(nèi)核(整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算器)電路的實(shí)際運(yùn)行頻率，由外頻(或前端總線頻率)與倍率共同決定，也即：主頻=外頻×倍率。
前端總線頻率：前端總線(Front Side Bus，F(xiàn)SB)頻率是CPU和北橋芯片間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的頻率，它與外頻既有聯(lián)系，又有區(qū)別。外頻是前端總線時(shí)鐘信號(hào)的頻率，而前端總線頻率是指數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率。對(duì)于Pentium 4處理器來說，由于采用了QDR(Quad Data Rate，4倍數(shù)據(jù)比率)技術(shù)，1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以傳輸4次數(shù)據(jù)，所以前端總線頻率相當(dāng)于外頻的4倍：FSB 800MHz的處理器，外頻只有200MHz。

誰在產(chǎn)生頻率
我們可以將作為頻率源的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器看作電腦的心臟。只有心臟跳動(dòng)起來，電腦才能工作。

1.振蕩源：晶體振蕩器
芯片本身通常并不具備時(shí)鐘信號(hào)源，因此須由專門的時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘信號(hào)，石英晶體振蕩器(Quartz Crystal OSC)就是一種的時(shí)鐘信號(hào)振蕩源。
石英晶體就是純凈的二氧化硅，是二氧化硅的單晶體，即我們常說的水晶。石英晶體有天然(Crude)晶體和人工合成(synthetic)晶體兩種。天然石英晶體的雜質(zhì)含量和形態(tài)等大多并不統(tǒng)一，因此電子線路中的晶體振蕩器多使用人造石英晶體。
從一塊晶體上按一定的方位角切下薄片(稱為“晶片”)，在晶片的兩個(gè)表面上涂覆一層薄薄的銀層后接上一對(duì)金屬板，焊接引腳，并用金屬外殼封裝，就構(gòu)成了石英晶體振蕩器。
石英晶片之所以能當(dāng)為振蕩器使用，是基于它的壓電效應(yīng)：在晶片的兩個(gè)極上加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場，雖然這種交變電場的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩(wěn)定的。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(由晶片的尺寸和形狀決定)相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。
壓電諧振狀態(tài)的建立和維持都必須借助于振蕩器電路才能實(shí)現(xiàn)。一個(gè)串聯(lián)型振蕩器，晶體管T1和T2構(gòu)成的兩級(jí)放大器，石英晶體XT與電容C2構(gòu)成LC電路。在這個(gè)電路中，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)電感，C2為可變電容器，調(diào)節(jié)其容量即可使電路進(jìn)入諧振狀態(tài)。該振蕩器供電電壓為5V，輸出波形為方波。
石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)10^-9/日，甚至10^-11。例如10MHz的振蕩器，頻率在一日之內(nèi)的變化一般不大于0.1Hz。因此，可以將晶體振蕩器視為恒定的基準(zhǔn)頻率源(石英表、電子表中都是利用石英晶體來做計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)頻率)。從PC誕生至今，主板上一直都使用一顆14.318MHz的石英晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源。至于始終沿用14.318MHz這個(gè)頻率的原因，或許是保持兼容性的需要吧。但是，筆者在顯卡、閃存盤和手機(jī)中也發(fā)現(xiàn)了14.318MHz的晶振，就不知道是什么原因了。
主板上除了這顆14.318MHz的晶振，還能找到一顆頻率為32.768KHz的晶振，它被用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)電路中，顯示精確的時(shí)間和日期。

2.分頻器與倍頻器
將脈沖頻率降低n倍，這就是分頻器的作用。在代PC機(jī)中，石英晶體振蕩器輸出的頻率為14.318MHz，而Intel 8086處理器的主頻為4.77MHz，后者剛好是前者的1/3。變換頻率的工作是在Intel 8284(時(shí)鐘發(fā)生器/驅(qū)動(dòng)器)中完成的，因?yàn)镮ntel 8284芯片中集成了三分頻電路，能夠?qū)⒕w振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)降低3倍后，提供給CPU和外設(shè)
隨著CPU主頻的提高，需要將晶體振蕩器提高若干倍才能滿足CPU的需要，于是在時(shí)鐘電路中倍頻器取代了分頻器的位置。如果說分頻器進(jìn)行的是除法運(yùn)算，倍頻器則進(jìn)行了乘法運(yùn)算，它將晶體振蕩器的頻率提高n倍。

時(shí)鐘芯片：可編程的頻率合成器
整合的時(shí)鐘電路，是硬件技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志。電腦中的不同設(shè)備對(duì)時(shí)鐘頻率的要求是不一樣的，如果你從廢物箱中找來一塊286主板，可以看到有好幾顆晶振排列在一起。電腦中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盤接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差異，所以需要提供不同的時(shí)鐘頻率，譬如PCI要求33MHz、USB為48MHz等?？墒?，一只石英振蕩器只能提供一種頻率，所以主板制造商通常將這些原本散布在主機(jī)板上各處的振蕩電路整合成一顆“頻率合成器(Frequency Synthesizer)”芯片，對(duì)晶體振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻(或倍頻)，以便為不同運(yùn)行速度的芯片(或設(shè)備)提供所需要的時(shí)鐘頻率。
普通分頻器為整數(shù)分頻器，其輸出頻率與輸入頻率之間為整數(shù)倍的關(guān)系，只能分段調(diào)節(jié)頻率，不能滿足精密調(diào)節(jié)的要求。頻率合成器是“分?jǐn)?shù)分頻器”，可對(duì)輸出頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。研發(fā)工程師可自由地設(shè)計(jì)電路中的各種頻率，不再受限于石英震蕩晶體的固定頻率規(guī)格。電腦中的時(shí)鐘芯片一般都具有“分?jǐn)?shù)分頻”能力，可以根據(jù)需要將調(diào)節(jié)步長設(shè)計(jì)到1%，甚至0.1%。為了指導(dǎo)和規(guī)范頻率合成器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，Intel制定了頻率合成器設(shè)計(jì)指南，如CK97、CK40X等。