时钟脉冲

什么是时钟脉冲，CPU为什么需要时钟，时钟信号是怎么产生的？

首先知道什么是脉冲

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上图的一个方波称为一个脉冲，类似于人类的脉搏跳动。对于每一个方形脉冲，电压或电路从0上升到最大值的那条线叫做上升沿；反之，电压或电流逐渐下降的那条线叫做下降沿。一个脉冲称为CPU的一个时钟信号，或者时钟脉冲。一个脉冲周期就叫CPU时钟周期，一个时钟周期内时钟信号震荡一次。

脉冲的单位

两个脉冲相继出现的间隔时间，就是脉冲周期，它是频率的倒数；而将在单位时间（1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。

频率的单位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。

其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。
计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒）

其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs（微秒），1μs=1000ns。
CPU一定需要时钟吗？

CPU可以有时钟，也可以没有时钟。使用时钟工作的CPU被称为同步CPU (synchronous CPU)，而不使用时钟工作的CPU被称为异步CPU (asynchronous CPU)。目前市面上广泛销售的CPU都是同步CPU。异步CPU要比同步CPU更快，因为异步的CPU接到输入立马就响应然后输出，不需要同步等待其他信号，用的时间更少，所以异步CPU快于同步CPU。那么为什么大多数的CPU采用时钟的方式呢？是因为异步CPU设计起来极为复杂，虽然在时间上可以有些优势，但是如果在纳秒这个级别，快100ns甚至1000ns对于人来说几乎是感觉不到的，却增加了电路设计的复杂程度，要知道CPU的电路逻辑本生就是人类一壮举，如果为了减少纳秒级别的时间，而增加本身就已经及其复杂的电路逻辑，无论是时间还是人力成本都会大大增加的。所以设计CPU的工程师们，一定比我们更清楚采用什么样的设计，同步CPU是更好的选择。

为什么CPU需要时钟？

前面我们知道目前市场上销售的CPU都是需要时钟的同步CPU，那么CPU为什么需要时钟呢？

这里有一篇文章讲的很好，解释了为什么CPU需要时钟：为什么CPU需要时钟这种概念

以下内容引自上面的文章
首先考虑如下逻辑电路：
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当A=B=1时，Q=0。当输入信号发生变化时，逻辑元件不会立即对输入变化做出反应，会有一个传播时延（propagation delay）。当B变化为0时，由于B也作为XOR的直接输入，所以XOR异或门会立即感知一个输入变为0的状态变化，XOR输出变为了1。但是由于传播时延的作用，AND与门的输出会过一小段时间才变为0，XOR的输出会在变为1后隔一小段时间重现变为0。表现为下图就是这样：
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上面这种现象叫作空翻（race condition），即指输出中出现了一个不希望有的脉冲信号。

一个简单的办法就是在输出端放置一个边沿触发器：
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边沿触发器的作用就是只有当CLK端输入从0变到1时，数据端D的输入才会影响边沿触发器的输出。这样，所有的传播时延都会被边沿触发器所隐藏掉，这时Q端的输出将变得稳定。比如：
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其中灰色的部分代表没有边沿触发器时的Q端输出状态。我们可以看出，当有了边沿触发器后，Q端的输出变得稳定，基本消除了传播时延。

从上面的例子我们可以看出CPU为什么要时钟：目前绝大多数的微处理器都是被同步时序电路所驱动，而时序电路由各种逻辑门组成。正如上面说的那样，逻辑门需要一小段时间对输入的变化做出反应（propagation delay）。所以需要时钟周期来容纳传播时延，并且时钟周期应当大到需要容纳所有逻辑门的传播时延。

当然，目前也有Asynchronous sequential logic，即不需要时钟信号做同步。但是这种异步逻辑电路虽然速度比同步时序电路快，然而设计起来比同步时序电路复杂的多，并且会遇到上面说的空翻现象（race condition），所以，现在绝大多数的CPU还是需要时钟做信号同步的。

CPU的时钟是如何产生的？

先知道什么是振荡器

CPU的时钟信号就是一个脉冲，什么东西可以产生脉冲呢，那就是振荡器。在逻辑电路中，一个首尾相连的非门就构成了一个振荡器。记住下面这幅图的非门符号。
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只要把非门的输出和输入相连就可以构成一个振荡器。
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上面就是振荡器的逻辑电路图，下面就是振荡器的样子。
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那这个东西是怎么工作的呢？在了解这个振荡器怎么工作之前，还有一个东西需要知道，就是常闭触点的继电器。为什么要知道常闭触点继电器？因为一个非门的实现就是通过常闭触点的继电器来实现的。下图就是一个常闭触点的电磁继电器。
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我们在初中物理就知道，电能生磁，在电流周围会产生磁场，给铁通电就能就能让铁产生磁力，这就是电磁铁。图中有一个很大的线圈，只要在这个线圈的两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服弹簧的返回拉力被吸向铁芯，从而带动动触点与常闭触点分离，与常开触点接通。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，于是动触点与常闭触点恢复接通，与常开触点分离。这样的常闭触点继电器就是一个非门。因为它输入1，输出却是0.

现在的情况是打开电源开关，衔铁分离；断开电源开关，衔铁闭合，这样只可以振荡一次，想想如果将它的输出作为输入，它就可以分离，闭合，分离，闭合…，只要有电源，它就可以一直振荡下去。我们把这种输出作为下一次的输入的常闭触点继电器就叫做振荡器。

所以，当电源通路的时候，衔铁臂会被吸引，电路断开。当电路断开，失去吸引力，衔铁臂恢复位置，电路又接通。所以，振荡器的输出在0和1之间交替变化，于是就会产生一个一个的脉冲，如下图。
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你可能会问，这东西又慢又大，怎么可能作为CPU的部件呢？

确实，这东西不可能放进CPU中。说这个大家伙不过是为了更好理解振荡器是什么，这有助于对后面内容的理解。

那CPU中是靠什么来产生一个一个的时钟脉冲呢？产生脉冲一定是振荡器，只不过在CPU中，振荡器不是靠电磁铁来实现了。CPU是一个IC（集成电路），它的时钟脉冲由晶振来产生。

晶振

这篇文章讲的很好：晶振的讲解及使用

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