電腦主機(jī)板上時鐘電路設(shè)計

所有的數(shù)字電路都需要依靠時鐘信號來使組件的運(yùn)作同步，每單位時間內(nèi)電路可運(yùn)作的次數(shù)取決于時鐘的頻率，因此時鐘運(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、芯片組和主存儲器等幾個主要的組件各有其工作時鐘，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)定的工作時鐘標(biāo)準(zhǔn)，如PCI為33MHz、AGP為66MHz等等。

---因此主機(jī)板的時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)板采用此類時鐘產(chǎn)生芯片將可以達(dá)到節(jié)省成本與空間的目的。

時鐘發(fā)生器的基本構(gòu)造

鎖相環(huán) (Phase Locked Loop ,PLL)是時鐘發(fā)生器的核心技術(shù)，現(xiàn)代的時鐘發(fā)生器只需由石英晶體提供一個基準(zhǔn)頻率，并利用一個以上的PLL，搭配不同比例的除頻電路，來產(chǎn)生各種頻率的時鐘輸出，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的多個石英晶體。時鐘發(fā)生器的基本架構(gòu)如圖1所示。

---其中PLL的部分具有兩個輸入端，分別為參考頻率(Fref)與反饋頻率(Fvco)，與一個輸出端(Fout)。三者之間關(guān)系可以公式表示如下。

Fout=(Fref·P)/(Q·N)

---PLL 基本上為一個負(fù)反饋系統(tǒng)，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(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，UP高電位輸出使Fout頻率加快;相反的當(dāng)Fref/Q落后Fvco /P時，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超頻與時鐘電路的關(guān)聯(lián)

--- 超頻對于計算機(jī)發(fā)燒友來說，可謂是最熱衷的一個主題了。所謂超頻就是強(qiáng)迫系統(tǒng)的工作時鐘于高于標(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，通常會以實際測試結(jié)果的較低規(guī)格來標(biāo)示，使制造出來的計算機(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動手腳。

---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。此外通過控制時鐘發(fā)生器中的緩存器控制位，可以以極小的線性級距微調(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)板上各個組件都有其固定的工作頻率，而各個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)所使用的時鐘。所以當(dāng)使用者調(diào)高CPU外頻的同時，總線及外設(shè)的時鐘也會等比例地被提升，有的時候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。

---為了提高在超頻時的系統(tǒng)穩(wěn)定性，新一代的時鐘發(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，計算機(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為此在時鐘發(fā)生器中加入了稱為看門狗定時器(Watchdog Timer)的設(shè)計，每當(dāng)BIOS為系統(tǒng)設(shè)定了新的工作頻率時，BIOS也要負(fù)責(zé)設(shè)定看門狗定時器的倒數(shù)計時時間。系統(tǒng)依新的工作頻率重新開機(jī)后，定時器依所設(shè)定的時間倒數(shù)，若系統(tǒng)正常啟動，則BIOS會負(fù)責(zé)通過SMBus將定時器設(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，當(dāng)定時器倒數(shù)結(jié)束后，時鐘發(fā)生器會發(fā)出復(fù)位信號，使系統(tǒng)重新啟動，并將時鐘發(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，系統(tǒng)將自動重設(shè)為原始狀態(tài)，使用者無須介入以硬件重設(shè)系統(tǒng)。

時鐘發(fā)生器可簡化主機(jī)板設(shè)計

---專為主機(jī)板設(shè)計的時鐘發(fā)生器，提供多種的可編程特性，方便主機(jī)板廠商設(shè)計產(chǎn)品。比如說，對于使用者超頻的需求，藉由可編程設(shè)定的時鐘頻率，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。

---可編程的時鐘發(fā)生器除了滿足超頻的目的外，其動態(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)行時并不總是需要全部的處理器效能，此時可通過時鐘的降低，減少系統(tǒng)的功率消耗，延長電池的使用時間。

---另外與使用者較為無關(guān)的時鐘發(fā)生器特性，還包括可程控的時滯與定時，主機(jī)板廠商可配合各種不同的機(jī)板布局，調(diào)整各種接口時鐘之間的時鐘延遲，使各種相關(guān)接口的組件保持同步(或符合其相對的時鐘延遲規(guī)格)動作。并可依各類內(nèi)存的不同特性，微調(diào)時鐘信號的觸發(fā)相位，以方便工程師進(jìn)行電路板設(shè)計。

--主機(jī)板廠商也時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)時間精力的程序，延后產(chǎn)品的上市時程，降低產(chǎn)品的獲利能力，目前時鐘發(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。

---利用時鐘發(fā)生器中PLL的特性，以圖2所示的Lexmark曲線，以系統(tǒng)時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，如圖3所示。

---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間內(nèi)完成產(chǎn)品的開發(fā)。

---時鐘發(fā)生器與CPU一樣，也隨著時代的腳步逐漸進(jìn)化。目前時鐘發(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)計上更加靈活。