電腦主機(jī)板上時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)(圖)

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(lái)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(lái)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(lái)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。時(shí)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(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(lái)說(shuō)，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(cè)試結(jié)果的較低規(guī)格來(lái)標(biāo)示，使制造出來(lái)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(shuō)明書(shū)調(diào)整主機(jī)板上的跳線或是dip開(kāi)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(guò)鍵盤及屏幕，即可隨意調(diào)整系統(tǒng)工作頻率了。此外通過(guò)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(lái)工作。換句話說(shuō)，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(guò)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(guò)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(lái)調(diào)整超頻的頻率，如果頻率設(shè)定超過(guò)系統(tǒng)可接受的范圍時(shí)，計(jì)算機(jī)根本就無(wú)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(kāi)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(guò)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(wú)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(wú)須介入以硬件重設(shè)系統(tǒng)。

時(shí)鐘發(fā)生器可簡(jiǎn)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(shuō)，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(guò)時(shí)鐘的降低，減少系統(tǒng)的功率消耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。
---另外與使用者較為無(wú)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(cè)、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(lái)降低產(chǎn)品的emi。
---利用時(shí)鐘發(fā)生器中pll的特性，以圖2所示的lexmark曲線，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，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(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(kāi)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(lái)越便利，也使廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更加靈活。