电脑的脉搏—时钟频率的来龙去脉

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1、二、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。网管朋友网www_bitscn_net1.振荡源：晶体振荡器网管论坛bbs_bitsCN_com　　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(QuartzCrystalOSC)就是一种最常用的时钟信号振荡源。网管u家bitscn.net　　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

2、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。网管论坛bbs_bitsCN_com　　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(图2)。网管有家bitscn.net图2：a、b石英晶体振荡器。示意图(左)，实物图(右)。中国网管联盟bitsCN.com网管bitscn_com　　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

3、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”。网管bitscn_com　　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。图3是一个串联型振荡器，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。网管联盟bitsC

4、N_com图3：有源晶体振荡器中国网管联盟bitsCN.com网管u家bitscn.net　　小知识：有源晶振与无源晶振网管下载dl.bitscn.com　　在电子学上，通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”（如有源音箱、有源滤波器等），而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。电脑中的晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶

5、振”这个说法并不准确；有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。网管u家www.bitscn.net图4：网管bitscn_com网管u家bitscn.net　　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，完全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诞生至现在，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

6、.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。网管网www_bitscn_com　　主板上除了这颗14.318MHz的晶振，还能找到一颗频率为32.768MHz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。网管网www.bitscn.com2.分频器与倍频器网管bitscn_com　　将脉冲频率降低n倍，这就是分频器的作用。在第一代PC机中，石英晶体振荡器输出的频率为14.318MHz，而Intel8086处理器的主频为4.77MH

7、z，后者刚好是前者的1/3。变换频率的工作是在Intel8284(时钟发生器/驱动器)中完成的，因为Intel8284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(图5)。网管u家u.bitscn@com图5：第一代PC的时钟电路网管朋友网www_bitscn_net网管u家u.bitscn@com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。三、时钟芯片：可

8、编程的频率合成器网管u家www.bitscn.net　　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