時(shí)鐘電路-計算機的心臟
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主機板時(shí)鐘電路的需求
熟悉硬件的讀者應該都知道，主機板上處理器、芯片組和主存儲器等幾個(gè)主要的組件各有其工作時(shí)鐘，中央處理器CPU的外部頻率依照摩爾定律不斷提高，隨著(zhù)英特爾與AMD在近期推出多款新的處理器，200MHz外頻的時(shí)代也正式來(lái)臨(CPU上標示的工作速度為處理器內頻，是以外頻乘以倍頻產(chǎn)生，并不由主機板時(shí)鐘電路直接提供)。處理器和北橋芯片之間以前端總線(xiàn)(FSB)相連接，以CPU的外頻為基準，每周期傳送兩次或四次數據，所以200MHz外頻乘上四倍頻就可以得到800MHz的FSB速度。內存也隨著(zhù)CPU的腳步，工作頻率快速推進(jìn)到200MHz的DDR400 PC3200規格。其余南橋芯片與AGP、PCI、USB等總線(xiàn)則各有其業(yè)界規定的工作時(shí)鐘標準，如PCI為33MHz、AGP為66MHz等等。
因此主機板的時(shí)鐘電路必須為許多的組件提供各種不同的工作頻率，以往舊式的主機板都是使用石英振蕩器來(lái)處理，但石英振蕩器一次只能輸出一種頻率，在需要多種時(shí)鐘輸出的新式主機板中，顯然不敷使用。所以有些廠(chǎng)商將這些原本散布在主機板上各處的振蕩電路整合成一顆可輸出各種頻率的芯片，主機板采用此類(lèi)時(shí)鐘產(chǎn)生芯片將可以達到節省成本與空間的目的。
時(shí)鐘發(fā)生器的基本構造
鎖相環(huán)(Phase Locked Loop ,PLL)是時(shí)鐘發(fā)生器的核心技術(shù)，現代的時(shí)鐘發(fā)生器只需由石英晶體提供一個(gè)基準頻率，并利用一個(gè)以上的PLL，搭配不同比例的除頻電路，來(lái)產(chǎn)生各種頻率的時(shí)鐘輸出，取代傳統系統中的多個(gè)石英晶體。
其中PLL的部分具有兩個(gè)輸入端，分別為參考頻率(Fref)與反饋頻率(Fvco)，與一個(gè)輸出端(Fout)。三者之間關(guān)系可以公式表示如下。
Fout=(Fref·P)/(Q·N)
PLL 基本上為一個(gè)負反饋系統，在回路中利用反饋信號，將輸出端的信號頻率及相位，鎖定在輸入端參考信號的頻率及相位上。相位頻率檢波器(Phase Frequency Detector，PFD)比較基準參考頻率(Fref)及反饋頻率(Fvco)兩者之間的相位關(guān)系與頻率的差異，并檢知出兩者相位的相位差及頻率的高低差，以影響電壓控制振蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)的頻率輸出。當Fref/Q超前Fvco/P時(shí)，UP高電位輸出使Fout頻率加快；相反的當Fref/Q落后Fvco /P時(shí)，DN高電位輸出使Fout頻率減慢，最后可達到如公式所表示的穩定輸出狀態(tài)，因此只需調整PLL外部除頻電路的P、Q、R值之間的比例，就可得到需要的輸出頻率。
PC超頻與時(shí)鐘電路的關(guān)聯(lián)
超頻對于計算機發(fā)燒友來(lái)說(shuō)，可謂是最熱衷的一個(gè)主題了。所謂超頻就是強迫系統的工作時(shí)鐘于高于標示的頻率，從而達到提高性能的目的。
基本的超頻方法即是藉由手動(dòng)調整將中央處理器的工作頻率提高至標準的工作頻率之上，一般而言，生產(chǎn)中央處理器的廠(chǎng)商為了確保其CPU工作的穩定可靠，通常會(huì )以實(shí)際測試結果的較低規格來(lái)標示，使制造出來(lái)的計算機系統以低于CPU極限值的速度工作。因此使用者便有機會(huì )在不用付出額外成本的情形下，壓榨出系統的最佳效能。
中央處理器的工作頻率等于外頻乘以倍頻數，不管是調整外頻或是倍頻數都可達到提高中央處理器工作頻率的目的，但目前大部分的CPU出廠(chǎng)時(shí)都已將倍頻死鎖固定，因此只剩下外頻的部分可以由使用者動(dòng)動(dòng)手腳。
以往調整外頻/倍頻的方法，需要使用者根據說(shuō)明書(shū)調整主機板上的跳線(xiàn)或是DIP開(kāi)關(guān)，以獲得想要的頻率。新一代的時(shí)鐘發(fā)生器，配備有 SMBus(System Management Bus)接口，可由BIOS直接控制，因此使用者甚至不用拆機殼，只需坐在計算機面前，通過(guò)鍵盤(pán)及屏幕，即可隨意調整系統工作頻率了。此外通過(guò)控制時(shí)鐘發(fā)生器中的緩存器控制位，可以以極小的線(xiàn)性級距微調CPU的外頻(以MHz為單位)，不像以往的跳線(xiàn)設定方式，一下子從100MHz直接跳至 133MHz，CPU容易超出其極限而導致當機。
如前述提到，主機板上各個(gè)組件都有其固定的工作頻率，而各個(gè)總線(xiàn)的工作頻率和系統的頻率大部分都維持固定的比例來(lái)工作。換句話(huà)說(shuō)，傳統的時(shí)鐘發(fā)生器通常是以CPU的外頻作為基準頻率，通過(guò)固定比例的除頻，產(chǎn)生其余外設所使用的時(shí)鐘。所以當使用者調高CPU外頻的同時(shí)，總線(xiàn)及外設的時(shí)鐘也會(huì )等比例地被提升，有的時(shí)候CPU尚未超出其工作極限，反而是外設承受不了過(guò)高的頻率而罷工了。
為了提高在超頻時(shí)的系統穩定性，新一代的時(shí)鐘發(fā)生器將AGP/PCI等總線(xiàn)的頻率，采用與CPU外頻“異步”的設計方式，或加入多段式的除頻子系統，使用者就可以自由設定AGP/PCI的工作頻率，以符合外設的工作需求。
目前使用軟件來(lái)調整超頻的頻率，如果頻率設定超過(guò)系統可接受的范圍時(shí)，計算機根本就無(wú)法工作了，如何將設定調回原先可使用的狀態(tài)呢？CYPRESS為此在時(shí)鐘發(fā)生器中加入了稱(chēng)為看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)的設計，每當BIOS為系統設定了新的工作頻率時(shí)，BIOS也要負責設定看門(mén)狗定時(shí)器的倒數計時(shí)時(shí)間。系統依新的工作頻率重新開(kāi)機后，定時(shí)器依所設定的時(shí)間倒數，若系統正常啟動(dòng)，則BIOS會(huì )負責通過(guò)SMBus將定時(shí)器設定清除，系統往后就依新的工作頻率運行；若是系統無(wú)法正常啟動(dòng)，當定時(shí)器倒數結束后，時(shí)鐘發(fā)生器會(huì )發(fā)出復位信號，使系統重新啟動(dòng)，并將時(shí)鐘發(fā)生器中的頻率設定回復成之前可正常工作的頻率設定。因此當頻率設定失敗時(shí)，系統將自動(dòng)重設為原始狀態(tài)，使用者無(wú)須介入以硬件重設系統。
時(shí)鐘發(fā)生器可簡(jiǎn)化主機板設計
專(zhuān)為主機板設計的時(shí)鐘發(fā)生器，提供多種的可編程特性，方便主機板廠(chǎng)商設計產(chǎn)品。比如說(shuō)，對于使用者超頻的需求，藉由可編程設定的時(shí)鐘頻率，可由BIOS中自由設定工作頻率，而不需要在主機板上多加額外的控制電路。
可編程的時(shí)鐘發(fā)生器除了滿(mǎn)足超頻的目的外，其動(dòng)態(tài)的頻率調整能力還可以用于減少電源消耗。以筆記本電腦為例，系統在運行時(shí)并不總是需要全部的處理器效能，此時(shí)可通過(guò)時(shí)鐘的降低，減少系統的功率消耗，延長(cháng)電池的使用時(shí)間。
另外與使用者較為無(wú)關(guān)的時(shí)鐘發(fā)生器特性，還包括可程控的時(shí)滯與定時(shí)，主機板廠(chǎng)商可配合各種不同的機板布局，調整各種接口時(shí)鐘之間的時(shí)鐘延遲，使各種相關(guān)接口的組件保持同步(或符合其相對的時(shí)鐘延遲規格)動(dòng)作。并可依各類(lèi)內存的不同特性，微調時(shí)鐘信號的觸發(fā)相位，以方便工程師進(jìn)行電路板設計。
主機板廠(chǎng)商也時(shí)常為了符合各種電磁干擾(EMI)的法規而煩惱，產(chǎn)品通常必須重復進(jìn)行送測、重布線(xiàn)、遮蔽隔離等耗費時(shí)間精力的程序，延后產(chǎn)品的上市時(shí)程，降低產(chǎn)品的獲利能力，目前時(shí)鐘發(fā)生器中的可編程擴頻(SST)功能則可用來(lái)降低產(chǎn)品的EMI。
利用時(shí)鐘發(fā)生器中PLL的特性，以系統時(shí)鐘為中心作小幅度的調變，將可使EMI的能量平均散布在一小段的頻譜范圍中，以降低單一頻率EMI的峰值。
可編程的擴頻比例，可視主機板的線(xiàn)路不同布局，讓主機板工程師自行設定最符合該主機板設計的擴頻比例參數，調整出最好的EMI擴頻效果，也使工程師能在最短的時(shí)間內完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
時(shí)鐘發(fā)生器與CPU一樣，也隨著(zhù)時(shí)代的腳步逐漸進(jìn)化。目前時(shí)鐘發(fā)生器的多功能與可編程特性讓使用者在操作上越來(lái)越便利，也使廠(chǎng)商在產(chǎn)品設計上更加靈活。 負離子發(fā)生器相關(guān)文章:負離子發(fā)生器原理 鎖相環(huán)相關(guān)文章:鎖相環(huán)原理
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