何謂芯片的“時鐘”？芯片時鐘是怎么一回事？

今天想來聊一聊芯片設(shè)計中的一個非?；A(chǔ)的概念——時鐘。對于外行來說聽到這個詞可能會感覺迷茫，猜一個大概意思吧可能也不太準。

對于芯片工程師來說時鐘這個詞就像每天喝水吃飯一樣平常，以至于可能從來不會注意它的存在。我也趁此機會，通過寫文章的方式，梳理一下我所理解的芯片時鐘是怎么一回事。

提起時鐘，就不得不先說芯片的兩種邏輯——時序邏輯（sequential）和組合邏輯（combinational）。

組合邏輯比較好理解，他就是我們常說的與或非這種邏輯門，輸出信號邏輯僅僅依賴于輸入信號的邏輯，或者按我的理解，組合邏輯的信號傳播是瞬間完成的（不考慮cell delay的話）。

不管是多么復(fù)雜的組合電路，就比如剛?cè)腴T電路時候大家都會學(xué)一些全加器、半加器、超前進位加法器什么什么的，雖然電路圖猛一看特別復(fù)雜，可能一張圖還畫不完，但只要他全部是由邏輯門構(gòu)成，都可以認為當(dāng)給定輸入信號的時候，輸出是不需要等待就可以直接看到的。當(dāng)然這只是我的理解啦，具體的組合邏輯定義肯定不是這樣吧？而時序邏輯，最重要的就是出現(xiàn)了由時鐘驅(qū)動的信號。

什么意思呢？就是說電路中存在這樣一類器件：他有一個特殊的控制輸入信號，當(dāng)這個信號跳變的時候，輸出信號才會根據(jù)其他一般的輸入信號變化。我們一般稱這種器件叫觸發(fā)器（flip-flop），而稱這種特殊的控制信號叫時鐘。

舉一個最簡單的D觸發(fā)器的例子，當(dāng)時鐘從0到1跳變的時候，輸出才等于輸入，其他時間，不管輸入如何變化，輸出保持不變。

由此可以看出時序邏輯器件一個重要的功能：寄存數(shù)據(jù)，因此這些觸發(fā)器有時候也可以被稱為寄存器（register）。當(dāng)然還有另一種時序邏輯器件叫鎖存器（latch），它是指時鐘信號維持某個電平時信號才可以傳輸。

隨著flip-flop的出現(xiàn)，時鐘的概念也就應(yīng)運而生了。其實時鐘并沒有多么奇怪的，他只是一個特殊的控制信號罷了。但是請大家思考這樣一個問題：隨著電路漸漸復(fù)雜，不同電路分支輸出的信號我總要抓取的呀，而具體什么時間點抓取信號就成了問題。

如果這個時鐘信號一會快一會慢，那么信號的抓取就會很艱難。所以為了規(guī)范化、統(tǒng)一化整個電路，讓大家都按照同一個規(guī)則來走，那么設(shè)計就會變得簡單化，這也是時鐘信號（clock）的最初衷。

為什么要叫“時鐘”？就是希望這個信號能像鐘表一樣，穩(wěn)定的每隔一段時間跳變一次，很形象吧？一個穩(wěn)定的時鐘會控制這個時鐘域所有的時序器件，這些器件就會統(tǒng)一的隔一段時間跳變一次，或者說信號傳輸一次，這就使我們的邏輯設(shè)計成為可能。

那么，我們?nèi)绾蔚玫揭粋€穩(wěn)定的時鐘呢？現(xiàn)在的芯片一般是由晶振產(chǎn)生一個周期信號，但這個信號并不太好，需要后面經(jīng)過一系列處理，關(guān)鍵的一步就是通過鎖相環(huán)（PLL），最終得到一個我們想要的時鐘。

但是這個時鐘也并不是數(shù)學(xué)意義上完美的，對我們后端來說，必須要考慮它的不確定性，就是說我們還是會認為它的周期一會大一會小，從來不會有一個完美的時鐘在現(xiàn)實宇宙里，畢竟我們后端是要做具體芯片實現(xiàn)的，必須悲觀考慮。

時鐘從PLL出來，到每個flip-flop的delay也會不同，而我們又希望所有flip-flop都同時跳變，就需要一步CTS（時鐘樹綜合）。這些就比較深入了，PLL和CTS以后再用別的章節(jié)來講吧。

突然又想到一個貼近生活的例子，我們平?？?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦CPU多少多少赫茲，就是指CPU的時鐘頻率，時鐘頻率越高，CPU計算速度自然就越快了嘛。

而所謂超頻，就是強行增大CPU的時鐘頻率，可以使CPU速度提高。但是頻率越快，timing越難滿足，可能會出現(xiàn)setup violation哦，所以說超頻更容易死機，而且power也會變大，對芯片也不太好喲。