电脑cpu时钟电路 | 电脑cpu时钟电路原理

电脑cpu时钟电路原理

谁言寸草心，报得三春晖。

日出东南隅，照我秦氏楼。

秋月扬明晖，冬岭秀寒松。

好雨知时节，当春乃发生。

昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路。

明月出天山，苍茫云海间。

首夏犹清和，芳草亦未歇。

农夫方夏耘，安坐吾敢食。

电脑主板时钟电路图

时钟芯片在一个14.314的晶振旁边没有什么又叫频率发生器之说。总线时钟频率以MHz为单位，工作频率越高则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。

SPI总线时钟极性和时钟相位的概念理解

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

其工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。

跟SPI密切相关的两个概念是时钟极性和时钟相位。

时钟极性：表示时钟信号在空闲时是高电平还是低电平。

时钟相位：决定数据是在SCK的上升沿采样还是在SCK的结束沿采样。

下面以矩力的7022B芯片为例子，分析SPI工作模式的设置。

在7022B的数据手册中，指出：在SCK的上升沿放数据，在下降沿取数据。在SCK的下降沿将DIN的数据采样到7022B中，在SCK的上升沿将7022B的数据放置在DOUT上面输出。

下面是模拟SPI总线对7022B进行读取的例子，这个例子生动表示了何时放数据，何时采样数据。

unsigned long Read_reg3(unsigned char cmd)

{

int i;

unsigned long data;

set_bit(SPI_PORT,SPI_SS);

clr_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);

clr_bit(SPI_PORT,SPI_SS);

for(i=0;i

{

set_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);

if(cmd&0x80)

{

set_bit(SPI_PORT,SPI_MOSI);

}

else

{

clr_bit(SPI_PORT,SPI_MOSI);

}

cmd=cmd

nop;

clr_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);nop;

}

clr_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);

_delay_us(3);

data=0;

for(i=0;i

{

set_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);

nop;

if(PINB&(1

{

data+=1;

}else

{

data+=0;

}

data=data

nop;

clr_bit(SPI_PORT,SPI_SCK);

}

set_bit(SPI_PORT,SPI_SS);

return data;

}

如果采用硬件SPI，则需要对单片机（ATMEGA16）SPI寄存器进行设置，本例子中，需要设置SPCR=0x57;//MSB在先01010011

时钟极性为0，因为空闲时CLK电平为低。

时钟相位设置为1，因为是下降沿采样数据，上升沿放数据。

我对SPI的理解错在采样的概念上。比如，下降沿采样，当主机接收时，我觉得应该是先有下降沿，再有采样。

其实，正确的理解是：采样是对主机从机都一致的概念，采样之前必须把数据准备好。当主机接收数据时，主机也是下降沿采样，但是在下降沿发生之前，必须准备好数据，换句话说，从机在上升沿发生后，就要把数据放出来，为下降沿采样做好准备。

电脑脉搏—时钟频率的来龙去脉

微型计算机

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。

一、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(图1)。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(表1)。

图1：脉冲波头越多则频率越高

表1：频率表示法

频率单位 kHz MHz GHz THz

换算关系 1×10^3Hz 1×10^6Hz 1×10^9Hz 1×10^12Hz

英文名称 Kilo Hz Mega Hz Giga Hz Tera Hz

中文名称千赫兹兆赫兹吉赫兹太赫兹

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(表2)。

表2：频率与周期对照表

时钟频率时钟周期时钟频率时钟周期

5MHz 200ns 133MHz 7.5ns

10MHz 100ns 166MHz 6.0ns

20MHz 50ns 200MHz 5.0ns

25MHz 40ns 250MHz 4.0ns

33MHz 30ns 300MHz 3.3ns

40MHz 25ns 333MHz 3.0ns

50MHz 20ns 400MHz 2.5ns

66MHz 15ns 500MHz 2.0ns

80MHz 12ns 800MHz 1.2ns

100MHz 10ns 1GHz 1.0ns

120MHz 8.3ns 4GHz 0.25ns

cpu电路工作原理

CPU不是电路开关，是中央处理器

电脑cpu时钟电路原理图解

CPU的时钟信号是由主板晶振提供的，不是CPU内部产生的。

电脑主板时钟电路

时钟芯片在主板是一块非常重要的芯片，它发出的信号不但可以起到排序的作用，同时把CPU命令信号传达到各大元器件，它同时也有调整并行数据采集中的作用

CPU时钟电路

在单片机程序设计中，设置一个好的时钟中断，将能使一个CPU发挥两个CPU的功效，大大方便和简化程序的编制，提高系统的效率与可操作性。

可以把一些例行的及需要定时执行的程序放在时钟中断中，还可以利用时钟中断协助主程序完成定时、延时等操作。

cpu供电电路原理图

cpu 内部主要是由一大堆的运算器、控制器、寄存器组成。

运算器负责算术运算（+ - * / 基本运算和附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或比较两个值等）。控制器则高级一点，负责应对所有的信息情况，调度运算器把计算做好。寄存器就稍微复杂一点，既要对接控制器的命令，传达命令给运算器；还要帮运算器记录处理完或者将要处理的数据。

在这三种元件外，还有缓存（cache），总线，核心显卡等。

假设 CPU 是一个工厂，一个核心就是工厂的一个车间，那么运算器就是工厂里的普工，只负责生产（运算），而寄存器呢，就是一个工具人，有时需要传递信息（数据），有时需要搬运物资（数据）。控制器则是车间主管，管理调剂所有普工和工具人，压榨他们的劳动价值。

电脑cpu时钟电路原理图

时钟电路就是产生象时钟一样准确的振荡电路，用于产生这个时间的电路就是时钟电路。

　　时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路。

在电脑的内部都会有一个时钟电路，给各个芯片组提供相应的时钟频率，从而保证各个芯片组能够正常地工作。

电脑的时钟电路由以下电路组成：

⑴基准时钟电路：主要负责产生基准时钟频率14.318MHz；

⑵PCI时钟产生电路：主要负责PCI时钟频率33MHz；

⑶USB时钟电路：主要负责产生48MHz的USB时钟信号；

⑷CPU时钟电路：主要负责为CPU提供100MHz的时钟频率；

⑸66MHz的时钟电路：主要负责给北桥、显卡、南桥提供66MHz的时钟频率；

⑹核心时钟控制电路：主要负责控制时钟分频器工作输出的时钟。

CPU电路原理

CPU的结构主要由运算器、控制器、寄存器三大块组成。

①运算器就是中央机构里负责执行任务的部门，也就是专门干活的；而控制器就是中央机构的领导小组，针对不同需要，给运算器下达不同的命令；寄存器可以理解为控制器和运算器之间的联络小组，主要工作就是协调控制器和运算器。

运算器这个干活的部门，平日里整个中央机构要干点啥事就找这个部门。例如东边洪灾了，你去赈灾吧；西边发现金矿了，你去主导挖矿吧；北边下大雪了，你去送温暖吧；南边下暴雨了，你去疏导洪流吧……

②而控制器这个部门比较牛逼，他们是不用干活的，主要就是对国家（整部计算机）发生的各种情况，做出应对，然后让运算器去把活干好。在这里，我们会发现一个大问题：如果这个部门闲的蛋疼，乱下命令怎么办？这也好办，我们就制定出一套行为规范来限制他们，不让他们乱搞。而这套行为规范就是CPU的指令集。

指令集就是CPU的行为规范，所有的命令都必须严格按照这部行为规范来执行。在这里说明一下不同类型的CPU指令集也不一样，其中最常见的就是X86架构下的复杂指令集和ARM架构下的简单指令集。X86就是我们平常电脑CPU的架构，ARM就是手机CPU的架构。

由于电脑CPU这个中央机构所在的国家（电脑）面积大、人口多、国情复杂，啥事都会发生，所以规章制度就需要特别完善，考虑到方方面面的情况要怎么应对。而手机CPU这个中央机构国家小、人口少、面积窄，所以规章制度简单一点就可以了。这就是复杂指令集和简单指令集的区别。

③寄存器这个部门稍微复杂一点，因为它虽然没有运算器和控制器那么重要，但是它P事多，控制器平时总喜欢让寄存器去给运算器传达个命令。而运算器有时候也会担心数据太多一时处理不过来，就让寄存器帮它先记着，有时候工作需要纸笔、螺丝刀之类的小工具，也让寄存器帮它拿着。

CPU读取数据速度

了解完寄存器的功能后，又发现了一个问题，如果控制部门下达的命令太多，而运算部门又没那么快可以做完，又或者运算器让它记住的东西或者临时拿着的东西太多，寄存器部门太小，人太少，忙不过来怎么办？好办，扩招人员吧，可是这个部门的人员都是编制内的，没有在编名额了怎么办？也好办，那就招些编外人员吧，也就是我们常说的临时工。

招了临时工，总要给他个名号吧，那就再成立一个部门，叫高速缓存。为了体现亲疏有别，这个部门把临时工分为三个等级，分别是一级高速缓存、二级高速缓存、三级高速缓存。反正也是临时工，名号就这么随便叫吧。

在CPU这个中央机构可跟新闻上说的事给临时工做、锅给临时工背不同，在这里高速缓存这个临时工部门是作为寄存器替补而存在的，也是说，必须在寄存器完成不了工作量时，才能交给高速缓存来做。一开始交给一级高速缓存来做，一级也做不完再给二级，二级还做不完就给三级。这里又有一个问题出现了，那就是如果三级也做不完怎么办？

这完全没问题，交给中央机构的一个下属部门去办，这个部门就是内存。但是因为内存毕竟不属于中央机构，工作能力没有中央机构人员那么强，效率也没有那么高。

所以控制部门要下达命令或者运算部门要做事时，首先想到的就是寄存器，寄存器忙不过来了就找高速缓存帮忙，高速缓存也忙不过来就找内存帮忙。那么，内存也传达不过来呢？内存传达不过来那就没办法了，只能让电脑卡着吧，等运算部门先把上一件事处理好再说。所以，买电脑，不能光看CPU牛不牛，内存容量也要跟上。

还有一个容易被大家忽略的问题，在这里也说一下吧，那就是晶体管。晶体管是构成CPU最基础的原件，可以理解为整个中央机构的工作人员。随着科技的进步，CPU生产工艺越来越精细，目前手机端CPU（ARM架构）制程已经提升到7nm，电脑端也达到了14nm。

制程的提升，我们可以理解为，缩减每个办公人员的办公面积，以前科技不发达每个办公人员必须配一个独立办公室，才能有效完成工作，现在技术进步了，每个办公人员只需要一张办公桌就能完成工作了。所以同样的一栋大楼，可以容纳的办公人员（晶体管）就多了，工作能力就上升了。

以前一个CPU由于制程落后，只能容纳几千万或者几亿个晶体管，现在制程进步了，一个同样体积的CPU可以容纳几十亿个晶体管，性能自然就提升了。