数字产品为什么用到Clock?

　　自电子计算机发明以后，信息的数字化已成为一股不可阻挡的趋势，也是二十世纪后人类文明发展的一大跨越。日常生活中的每个角落，莫不被数字化的电子产品所占据。

　　数字化的意思，是指事物的状态利用数字信号来描述与纪录，而不是现实生活中所看到不断连续变化的模拟模式。数字信号是由0与1两种不同的电压振幅状态所表示的二进制信息。数字信号在两个组件间的传送与接收途中，就只有以低电压所表示的0，或是以高电压所表示的1两种状态，数字设备要维持正常的运作，传送端与接收端必须同时发送及读取数据，才能确保数据的正确性，不然当传送端已经传送下一个数据状态，接收端才开始接收上一数据，结果可就大大不同了。因此不论是组件与组件之间、处理器CPU内部、或是两部连接的设备间，都需要一种协调两端同时运作的机制，使数字信号能正常的被处理。

　　但要以多久的时间间隔来抓取或送出数据，是由系统运作的时钟来决定的。数字产品中一定会有一个称为时钟发生器(clock generator)的电子组件，这个组件会不断产生稳定间隔的电压脉冲，产品中所有的组件将随着这个时钟来同步进行运算动作。简单的说，数字产品必须要有时钟的控制，才能精确地处理数字信号，就好比动物的心跳一样。若时钟不稳定，轻则造成数字信号传送上的失误，重则导致数字设备无法正常运作。

　 Clock的演进

　　早期PC-XT的时代，一台计算机内部的系统频率基本上是由石英震荡晶体(crystal oscillator)所产生。为什么使用石英呢？因为石英这种矿物，对其加压就会开始进行膨胀和收缩，且震荡频率的稳定度极高，例如石英表、电子表中也是利用石英晶体来做计时的基准频率。石英在通电后膨胀和收缩的时候，会产生接近正弦波的电子信号，主机板电路再将正弦波转换形成数字的0与1脉冲，即成为电路中的时钟信号。

　　因为石英的震荡频率范围固定，无法获得多样化的频率应用，并且当电路内需要多种时钟频率时，使用多颗石英震荡晶体也有些不切实际。业界开始利用锁相环(PLL, Phase Lock Loop)的特性，开发出IC化的时钟发生器。只要提供PLL一个基准频率，搭配不同比例的除频电路，即可依电路中的需求，弹性的产生多样化的时钟。数字产品的研发工程师，便可自由的产生电路中的各种频率，不再受限于石英震荡晶体的固定频率规格。

　　时钟发生器中的除频电路若再加上EEPROM这类半永久性的内存，只要变更缓存器中的数值就可以设定输出时钟，可以简化时钟电路的复杂度。时钟发生器可在出场时，就预先设定好各项除频的参数，直接装配至电路中，免除多余的外围线路以大幅降低产品的成本；或是在时钟发生器中内建I2C之类的通讯总线，使数字产品能直接控制内部的时钟发生器，随时调整系统的运作时钟。这种功能使得PC能依CPU的不同外频，透过BIOS随时变更系统时钟，也让使用者在超频时，由过往必须拿焊枪更换石英震荡晶体，变成只要敲敲键盘即可。

　　PC超频与Clock的关联

　　到底什么叫做超频呢？既然所有的数字设备都依靠时钟来运作，若暂不考虑电子组件的耐用极限，将产品运作时钟稍微调升，也就是使同一时间内电路动作的次数增加，理论上就能够提高产品的效能。一般而言，电子组件实际可承受的运作条件，都会比厂商出厂时的标示来的宽松一些，以获得产品的可靠性与稳定度，所以运气够好的话，使用较高的时钟运作，将可以最低的成本获得较高的执行效能。

　　PC的主机板中，若以时钟电路为中心点来看，将微处理器CPU、北桥、南桥与AGP及PCI一同视为外围组件，则时钟电路必须提供这些组件统一的运作时钟，以确保组件间能正确的传送数据。通常这些组件各有其规定的运作频率规格，像是PCI与AGP接口的时钟分别为33MHz与66MHz；内存PC133就是133MHz，PC266则是266MHz等，以此类推；CPU方面的外频也不断的提升到目前800MHz的程度。主机板上的时钟电路为了同步这些不同频率的组件，会以一个主要的时钟，例如CPU的外频为基准，以固定除频的方式得到其它组件的各种时钟频率，若是133外频的CPU搭配PC133的内存加上AGP与PCI，其时钟除频的比例就是1:1:2:4。

　　早期固定除频比例的时钟发生器在超频时，只要调高CPU的外频，外围设备的时钟也会因除频而等比例的提高，容易造成系统周边装置的不稳定。因为各组件对运作条件的忍受度不同，超频时当机的原因不见得一定是CPU挂点，很有可能是显示卡的AGP接口超过工作频率66MHz，太多停止运作使画面无法呈现，或是内存的存取时间太长跟不上CPU的读取速度。目前新一代的PC时钟发生器，使用可程序化的PLL频率微调电路，使各外围的运作时钟能独立控制，让容忍度较差的外围维持较低的运作频率，这样就能提高超频成功的机率，并让超频后的系统仍能维持运作的稳定。

　　各种时钟的应用

　　数字产品的运作速度越来越快，工程师也遇到愈来愈大的挑战。对