所有的數(shù)字電路都需要依靠時(shí)鐘信號(hào)來使組件的運(yùn)作同步,，每單位時(shí)間內(nèi)電路可運(yùn)作的次數(shù)取決于時(shí)鐘的頻率，因此時(shí)鐘運(yùn)作的頻率即被大家視為系統(tǒng)運(yùn)作的性能指針,。

主機(jī)板時(shí)鐘電路的需求

熟悉硬件的讀者應(yīng)該都知道,，主機(jī)板上處理器、芯片組和主存儲(chǔ)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)代也正式來臨(CPU上標(biāo)示的工作速度為處理器內(nèi)頻,，是以外頻乘以倍頻產(chǎn)生,，并不由主機(jī)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(FSB)相連接,，以CPU的外頻為基準(zhǔn),，每周期傳送兩次或四次數(shù)據(jù)，所以200MHz外頻乘上四倍頻就可以得到800MHz的FSB速度,。內(nèi)存也隨著CPU的腳步,，工作頻率快速推進(jìn)到200MHz的DDR400 PC3200規(guī)格。其余南橋芯片與AGP,、PCI,、USB等總線則各有其業(yè)界規(guī)定的工作時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，如PCI為33MHz,、AGP為66MHz等等,。

因此主機(jī)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(jī)板都是使用石英振蕩器來處理,，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(jī)板中，顯然不敷使用,。所以有些廠商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可輸出各種頻率的芯片,，主機(jī)板采用此類時(shí)鐘產(chǎn)生芯片將可以達(dá)到節(jié)省成本與空間的目的。

時(shí)鐘發(fā)生器的基本構(gòu)造

鎖相環(huán)(Phase Locked Loop ,PLL)是時(shí)鐘發(fā)生器的核心技術(shù),，現(xiàn)代的時(shí)鐘發(fā)生器只需由石英晶體提供一個(gè)基準(zhǔn)頻率,，并利用一個(gè)以上的PLL，搭配不同比例的除頻電路,，來產(chǎn)生各種頻率的時(shí)鐘輸出,，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)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(fù)反饋系統(tǒng),，在回路中利用反饋信號(hào),，將輸出端的信號(hào)頻率及相位，鎖定在輸入端參考信號(hào)的頻率及相位上,。相位頻率檢波器(Phase Frequency Detector,，PFD)比較基準(zhǔn)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(dāng)Fref/Q超前Fvco/P時(shí),，UP高電位輸出使Fout頻率加快,；相反的當(dāng)Fref/Q落后Fvco /P時(shí)，DN高電位輸出使Fout頻率減慢,，最后可達(dá)到如公式所表示的穩(wěn)定輸出狀態(tài),，因此只需調(diào)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(duì)于計(jì)算機(jī)發(fā)燒友來說,，可謂是最熱衷的一個(gè)主題了,。所謂超頻就是強(qiáng)迫系統(tǒng)的工作時(shí)鐘于高于標(biāo)示的頻率，從而達(dá)到提高性能的目的,。

基本的超頻方法即是藉由手動(dòng)調(diào)整將中央處理器的工作頻率提高至標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率之上,，一般而言，生產(chǎn)中央處理器的廠商為了確保其CPU工作的穩(wěn)定可靠,，通常會(huì)以實(shí)際測試結(jié)果的較低規(guī)格來標(biāo)示,，使制造出來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以低于CPU極限值的速度工作。因此使用者便有機(jī)會(huì)在不用付出額外成本的情形下,，壓榨出系統(tǒng)的最佳效能,。

中央處理器的工作頻率等于外頻乘以倍頻數(shù)，不管是調(diào)整外頻或是倍頻數(shù)都可達(dá)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(diào)整外頻/倍頻的方法,，需要使用者根據(jù)說明書調(diào)整主機(jī)板上的跳線或是DIP開關(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(jī)殼，只需坐在計(jì)算機(jī)面前，通過鍵盤及屏幕,，即可隨意調(diào)整系統(tǒng)工作頻率了。此外通過控制時(shí)鐘發(fā)生器中的緩存器控制位,，可以以極小的線性級(jí)距微調(diào)CPU的外頻(以MHz為單位),，不像以往的跳線設(shè)定方式，一下子從100MHz直接跳至 133MHz,，CPU容易超出其極限而導(dǎo)致當(dāng)機(jī),。

如前述提到，主機(jī)板上各個(gè)組件都有其固定的工作頻率,，而各個(gè)總線的工作頻率和系統(tǒng)的頻率大部分都維持固定的比例來工作,。換句話說，傳統(tǒng)的時(shí)鐘發(fā)生器通常是以CPU的外頻作為基準(zhǔn)頻率,，通過固定比例的除頻,，產(chǎn)生其余外設(shè)所使用的時(shí)鐘。所以當(dāng)使用者調(diào)高CPU外頻的同時(shí),，總線及外設(shè)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(shè)承受不了過高的頻率而罷工了,。

為了提高在超頻時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性,，新一代的時(shí)鐘發(fā)生器將AGP/PCI等總線的頻率，采用與CPU外頻“異步”的設(shè)計(jì)方式,，或加入多段式的除頻子系統(tǒng),，使用者就可以自由設(shè)定AGP/PCI的工作頻率，以符合外設(shè)的工作需求,。
目前使用軟件來調(diào)整超頻的頻率,，如果頻率設(shè)定超過系統(tǒng)可接受的范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)根本就無法工作了,，如何將設(shè)定調(diào)回原先可使用的狀態(tài)呢,？CYPRESS為此在時(shí)鐘發(fā)生器中加入了稱為看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)的設(shè)計(jì)，每當(dāng)BIOS為系統(tǒng)設(shè)定了新的工作頻率時(shí),，BIOS也要負(fù)責(zé)設(shè)定看門狗定時(shí)器的倒數(shù)計(jì)時(shí)時(shí)間,。系統(tǒng)依新的工作頻率重新開機(jī)后，定時(shí)器依所設(shè)定的時(shí)間倒數(shù),，若系統(tǒng)正常啟動(dòng),，則BIOS會(huì)負(fù)責(zé)通過SMBus將定時(shí)器設(shè)定清除,，系統(tǒng)往后就依新的工作頻率運(yùn)行；若是系統(tǒng)無法正常啟動(dòng),，當(dāng)定時(shí)器倒數(shù)結(jié)束后,，時(shí)鐘發(fā)生器會(huì)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)重新啟動(dòng),，并將時(shí)鐘發(fā)生器中的頻率設(shè)定回復(fù)成之前可正常工作的頻率設(shè)定,。因此當(dāng)頻率設(shè)定失敗時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)重設(shè)為原始狀態(tài),，使用者無須介入以硬件重設(shè)系統(tǒng),。

時(shí)鐘發(fā)生器可簡化主機(jī)板設(shè)計(jì)

專為主機(jī)板設(shè)計(jì)的時(shí)鐘發(fā)生器，提供多種的可編程特性,，方便主機(jī)板廠商設(shè)計(jì)產(chǎn)品,。比如說，對(duì)于使用者超頻的需求,，藉由可編程設(shè)定的時(shí)鐘頻率,，可由BIOS中自由設(shè)定工作頻率，而不需要在主機(jī)板上多加額外的控制電路,。

可編程的時(shí)鐘發(fā)生器除了滿足超頻的目的外,，其動(dòng)態(tài)的頻率調(diào)整能力還可以用于減少電源消耗。以筆記本電腦為例,，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)并不總是需要全部的處理器效能,，此時(shí)可通過時(shí)鐘的降低，減少系統(tǒng)的功率消耗,，延長電池的使用時(shí)間,。

另外與使用者較為無關(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(jī)板廠商可配合各種不同的機(jī)板布局,，調(diào)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(duì)的時(shí)鐘延遲規(guī)格)動(dòng)作,。并可依各類內(nèi)存的不同特性,，微調(diào)時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)相位，以方便工程師進(jìn)行電路板設(shè)計(jì),。

主機(jī)板廠商也時(shí)常為了符合各種電磁干擾(EMI)的法規(guī)而煩惱,，產(chǎn)品通常必須重復(fù)進(jìn)行送測、重布線,、遮蔽隔離等耗費(fèi)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(kuò)頻(SST)功能則可用來降低產(chǎn)品的EMI,。

利用時(shí)鐘發(fā)生器中PLL的特性,，以系統(tǒng)時(shí)鐘為中心作小幅度的調(diào)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(kuò)頻比例,，可視主機(jī)板的線路不同布局,，讓主機(jī)板工程師自行設(shè)定最符合該主機(jī)板設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻比例參數(shù)，調(diào)整出最好的EMI擴(kuò)頻效果,，也使工程師能在最短的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品的開發(fā),。

時(shí)鐘發(fā)生器與CPU一樣，也隨著時(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越便利,，也使廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更加靈活。