電腦主機板上時鐘電路設(shè)計(圖)

主機板時鐘電路的需求
---熟悉硬件的讀者應(yīng)該都知道，主機板上處理器、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，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)定的工作時鐘標準，如pci為33mhz、agp為66mhz等等。
---因此主機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板中，顯然不敷使用。所以有些廠商將這些原本散布在主機板上各處的振蕩電路整合成一顆可輸出各種頻率的芯片，主機板采用此類時鐘產(chǎn)生芯片將可以達到節(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fref/q超前fvco/p時，up高電位輸出使fout頻率加快；相反的當fref/q落后fvco/p時，dn高電位輸出使fout頻率減慢，最后可達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。所謂超頻就是強迫系統(tǒng)的工作時鐘于高于標示的頻率，從而達到提高性能的目的。
---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準的工作頻率之上，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)格來標示，使制造出來的計算機系統(tǒng)以低于cpu極限值的速度工作。因此使用者便有機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殼，只需坐在計算機面前，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)致當機。
---如前述提到，主機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bios為系統(tǒng)設(shè)定了新的工作頻率時，bios也要負責設(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會負責通過smbus將定時器設(shè)定清除，系統(tǒng)往后就依新的工作頻率運行；若是系統(tǒng)無法正常啟動，當定時器倒數(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)生器可簡化主機板設(shè)計
---專為主機板設(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，主機板廠商可配合各種不同的機板布局，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，以方便工程師進行電路板設(shè)計。
--主機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)進行送測、重布線、遮蔽隔離等耗費時間精力的程序，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。

---可編程的擴頻比例，可視主機板的線路不同布局，讓主機板工程師自行設(shè)定最符合該主機板設(shè)計的擴頻比例參數(shù)，調(diào)整出最好的emi擴頻效果，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。