簡介
在電子技術中，脈沖信号是一個按一定電壓幅度，一定時間間隔連續發出的脈沖信号。脈沖信号之間的時間間隔稱為周期；而将在單位時間（如1秒）内所産生的脈沖個數稱為頻率。頻率是描述周期性循環信号（包括脈沖信号）在單位時間内所出現的脈沖數量多少的計量名稱；頻率的标準計量單位是Hz（赫）。
電腦中的系統時鐘就是一個典型的頻率相當精确和穩定的脈沖信号發生器。
頻率在數學表達式中用“f”表示，其相應的單位有：Hz（赫茲）、kHz（千赫茲）、MHz（兆赫茲）、GHz（千兆赫茲）。其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。
計算脈沖信号周期的時間單位及相應的換算關系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（納秒），其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs，1μs=1000ns。
CPU主頻
CPU的主頻，即CPU内核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。通常所說的某某CPU是多少兆赫的，而這個多少兆赫就是“CPU的主頻”。很多人認為CPU的主頻就是其運行速度，其實不然。CPU的主頻表示在CPU内數字脈沖信号震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關系。主頻和實際的運算速度存在一定的關系，但目前還沒有一個确定的公式能夠定量兩者的數值關系，因為CPU的運算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指标（緩存、指令集、CPU的位數等等）。
由于主頻并不直接代表運算速度，所以在一定情況下，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象。比如AMD公司的AthlonXP系列CPU大多都能以較低的主頻，達到英特爾公司的Pentium4系列CPU較高主頻的CPU性能，所以AthlonXP系列CPU才以PR值的方式來命名。因此主頻僅是cpu性能表現的一個方面，而不代表CPU的整體性能。
CPU的主頻不代表CPU的速度，但提高主頻對于提高CPU運算速度卻是至關重要的。舉個例子來說，假設某個CPU在一個時鐘周期内執行一條運算指令，那麼當CPU運行在100MHz主頻時，将比它運行在50MHz主頻時速度快一倍。其中，CC2430的時鐘晶振是32K的,系統時鐘是32M的。
因為100MHz的時鐘周期比50MHz的時鐘周期占用時間減少了一半，也就是工作在100MHz主頻的CPU執行一條運算指令所需時間僅為10ns比工作在50MHz主頻時的20ns縮短了一半，自然運算速度也就快了一倍。隻不過電腦的整體運行速度不僅取決于CPU運算速度，還與其它各分系統的運行情況有關，隻有在提高主頻的同時，各分系統運行速度和各分系統之間的數據傳輸速度都能得到提高後，電腦整體的運行速度才能真正得到提高。
所受限制
提高CPU工作主頻主要受到生産工藝的限制。由于CPU是在半導體矽片上制造的，在矽片上的元件之間需要導線進行聯接，由于在高頻狀态下要求導線越細越短越好，這樣才能減小導線分布電容等雜散幹擾以保證CPU運算正确。因此制造工藝的限制，是CPU主頻發展的最大障礙之一。
來龍去脈
一首美妙的樂曲會有一個主旋律，而電腦的主旋律就是CPU的時鐘頻率。主頻、外頻和倍頻，它們從何而來？鎖頻、超頻，又是怎麼回事呢？
電腦中有許許多多的半導體芯片，每個芯片都是在特定的時鐘頻率下進行工作的。時鐘發生器提供給芯片的時鐘信号是一個連續的脈沖信号，而脈沖就相當于芯片的脈搏，每一次脈沖到來，芯片内的晶體管就改變一次狀态，讓整個芯片完成一定任務。
電腦中的芯片絕大多數屬于數字邏輯芯片，數字芯片中衆多的晶體管全都工作在開關狀态，它們的導通和關斷動作無不是按照時鐘信号的節奏進行的。如果時鐘頻率過高，就可能出現晶體管的狀态來不及變化的情況，産生死鎖或随機性誤操作。所以，每一款芯片都有自己的頻率極限。
頻率是什麼
頻率用f表示，基本單位為“1次／秒”，記做Hz（赫茲）。1Hz就是每秒一次，10Hz是每秒10次(圖1)。不過，Hz這個單位在電腦裡面太小了，因此通常以KHz、MHz或GHz來表示信号頻率。随着頻率的攀升，若幹年以後恐怕需要使用THz作為頻率的單位了(表1)。
頻率表示法
頻率單位kHzMHzGHzTHz
換算關系1×10^3Hz1×10^6Hz1×10^9Hz1×10^12Hz
英文名稱KiloHzMegaHzGigaHzTeraHz
中文名稱千赫茲兆赫茲吉赫茲太赫茲
周期與頻率
在電腦技術中，與頻率相對應的一個常用術語是周期。周期是頻率的倒數，頻率越高，周期越短。譬如時鐘頻率為1GHz時，其時鐘周期為1納秒(表2)。
頻率與周期對照表
時鐘頻率時鐘周期時鐘頻率時鐘周期
5MHz200ns133MHz7.5ns
10MHz100ns166MHz6.0ns
20MHz50ns200MHz5.0ns
25MHz40ns250MHz4.0ns
33MHz30ns300MHz3.3ns
40MHz25ns333MHz3.0ns
50MHz20ns400MHz2.5ns
66MHz15ns500MHz2.0ns
80MHz12ns800MHz1.2ns
100MHz10ns1GHz1.0ns
120MHz8.3ns4GHz0.25ns
帶寬與頻率
與頻率相關的另一個參數是數據傳輸率，也稱為“帶寬”，用于衡量數據通信速度的快慢。通常情況下，帶寬＝時鐘頻率×(位寬÷8)。譬如PCI總線的時鐘頻率為33.33MHz，因其位寬為32bit，所以其帶寬為33.33×(32÷8)＝133MB/s。
CPU的頻率
在286及以前的電腦中，CPU的頻率與外部總線的頻率相同。Intel386電腦中采用了時鐘分頻方式，時鐘電路提供給CPU的時鐘信号的頻率66MHz，而CPU内部則以33MHz的頻率工作。Intel80486DX2則采用倍頻方式，它允許CPU以2倍或3倍于外部總線的速度運行，但仍以原有時鐘頻率與外界通訊。進入Pentium時代以後，倍頻技術獲得廣泛應用，目前處理器的倍頻已達20倍。
系統時鐘頻率：通常也稱作“外頻”——CPU外部總線的時鐘頻率。外頻由頻率合成器芯片提供，後文将對頻率合成器芯片進行詳細介紹。主頻：主頻是CPU内核(整數和浮點運算器)電路的實際運行頻率，由外頻(或前端總線頻率)與倍率共同決定，也即：主頻＝外頻×倍率。
前端總線頻率：前端總線(FrontSideBus，FSB)頻率是CPU和北橋芯片間進行數據交換的頻率，它與外頻既有聯系，又有區别。外頻是前端總線時鐘信号的頻率，而前端總線頻率是指數據傳輸的頻率。對于Pentium4處理器來說，由于采用了QDR(QuadDataRate，4倍數據比率)技術，1個時鐘周期内可以傳輸4次數據，所以前端總線頻率相當于外頻的4倍：FSB800MHz的處理器，外頻隻有200MHz。
誰在産生頻率
我們可以将作為頻率源的時鐘信号發生器看作電腦的心髒。隻有心髒跳動起來，電腦才能工作。
1.振蕩源：晶體振蕩器
芯片本身通常并不具備時鐘信号源，因此須由專門的時鐘電路提供時鐘信号，石英晶體振蕩器(QuartzCrystalOSC)就是一種最常用的時鐘信号振蕩源。
石英晶體就是純淨的二氧化矽，是二氧化矽的單晶體，即我們常說的水晶。石英晶體有天然(Crude)晶體和人工合成(synthetic)晶體兩種。天然石英晶體的雜質含量和形态等大多并不統一，因此電子線路中的晶體振蕩器多使用人造石英晶體。
從一塊晶體上按一定的方位角切下薄片(稱為“晶片”)，在晶片的兩個表面上塗複一層薄薄的銀層後接上一對金屬闆，焊接引腳，并用金屬外殼封裝，就構成了石英晶體振蕩器。
石英晶片之所以能當為振蕩器使用，是基于它的壓電效應：在晶片的兩個極上加一電場，會使晶體産生機械變形；在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會産生機械振動，同時機械變形振動又會産生交變電場，雖然這種交變電場的電壓極其微弱，但其振動頻率是十分穩定的。當外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(由晶片的尺寸和形狀決定)相等時，機械振動的幅度将急劇增加，這種現象稱為“壓電諧振”。
壓電諧振狀态的建立和維持都必須借助于振蕩器電路才能實現。一個串聯型振蕩器，晶體管T1和T2構成的兩級放大器，石英晶體XT與電容C2構成LC電路。在這個電路中，石英晶體相當于一個電感，C2為可變電容器，調節其容量即可使電路進入諧振狀态。該振蕩器供電電壓為5V，輸出波形為方波。
石英晶體振蕩器的頻率穩定度可達10^-9/日，甚至10^-11。例如10MHz的振蕩器，頻率在一日之内的變化一般不大于0.1Hz。因此，完全可以将晶體振蕩器視為恒定的基準頻率源(石英表、電子表中都是利用石英晶體來做計時的基準頻率)。從PC誕生至現在，主闆上一直都使用一顆14.318MHz的石英晶體振蕩器作為基準頻率源。至于始終沿用14.318MHz這個頻率的原因，或許是保持兼容性的需要吧。但是，筆者在顯卡、閃存盤和手機中也發現了14.318MHz的晶振，就不知道是什麼原因了。
主闆上除了這顆14.318MHz的晶振，還能找到一顆頻率為32.768MHz的晶振，它被用于實時時鐘(RTC)電路中，顯示精确的時間和日期。
2.分頻器與倍頻器
将脈沖頻率降低n倍，這就是分頻器的作用。在第一代PC機中，石英晶體振蕩器輸出的頻率為14.318MHz，而Intel8086處理器的主頻為4.77MHz，後者剛好是前者的1/3。變換頻率的工作是在Intel8284(時鐘發生器/驅動器)中完成的，因為Intel8284芯片中集成了三分頻電路，能夠将晶體振蕩器産生的脈沖信号降低3倍後，提供給CPU和外設
随着CPU主頻的提高，需要将晶體振蕩器提高若幹倍才能滿足CPU的需要，于是在時鐘電路中倍頻器取代了分頻器的位置。如果說分頻器進行的是除法運算，倍頻器則進行了乘法運算，它将晶體振蕩器的頻率提高n倍。
頻率合成器
整合的時鐘電路，是硬件技術進步的一個标志。電腦中的不同設備對時鐘頻率的要求是不一樣的，如果你從廢物箱中找來一塊286主闆，可以看到有好幾顆晶振排列在一起。電腦中的CPU，AGP插槽、PCI插槽、硬盤接口、USB端口和PS/2端口等在通信速度上有很大差異，所以需要提供不同的時鐘頻率，譬如PCI要求33MHz、USB為48MHz等。可是，一隻石英振蕩器隻能提供一種頻率，所以主闆制造商通常将這些原本散布在主機闆上各處的振蕩電路整合成一顆“頻率合成器(FrequencySynthesizer)”芯片，對晶體振蕩器産生的脈沖信号進行分頻(或倍頻)，以便為不同運行速度的芯片(或設備)提供所需要的時鐘頻率。
普通分頻器為整數分頻器，其輸出頻率與輸入頻率之間為整數倍的關系，隻能分段調節頻率，不能滿足精密調節的要求。頻率合成器是“分數分頻器”，可對輸出頻率進行精細調節。研發工程師可自由地設計電路中的各種頻率，不再受限于石英震蕩晶體的固定頻率規格。目前電腦中的時鐘芯片一般都具有“分數分頻”能力，可以根據需要将調節步長設計到1％，甚至0.1％。為了指導和規範頻率合成器的設計和應用，Intel制定了頻率合成器設計指南，如CK97、CK40X等，适用于最新Pentium4處理器的規範是CK410。
1.頻率調節原理
頻率合成器是一個具有頻率負反饋的時鐘信号系統(圖7)，其中使用了兩個分頻器，Mdiv用于降低基準頻率，Ndiv則用于對VCO進行分頻。晶體振蕩器(OSC)産生的頻率fi經M分頻器後得到參考頻率fref，它與反饋頻率ffd分别送入鑒頻(FrequencyDetector，FD)的兩個反向輸入端，鑒頻器輸出一個反映兩者之商的直流電壓，并經低通濾波器(LowPassFilter，LPF)濾除交流分量後，提供給壓控振蕩器(VoltageControlledOscillator，VCO)輸出頻率信号fout。
頻率合成器的輸出頻率fout與輸入頻率fin之間的關系可以用公式fout＝fin×(N＋k/M)來表示，其中N、M和K均為整數，K可取0～M間的任意整數。非整數值N＋k/M通常寫作N.F，這裡的圓點代表小數點，N表示頻率的整數部分，而F＝k/M則表示頻率的小數部分。在輸入頻率fin、N和M均不改變的條件下，隻要修改k值即可得到所需要頻率值fout。
在頻率合成器芯片中，有專門的SMBus接口電路，這是芯片的寄存器與外部聯絡的途徑，有了它，就能夠通過BIOS或軟件對寄存器進行改寫。頻率寄存器中的每一位數據有兩種可能，“0”或“1”，那麼當這幾位按不同狀态進行組合時就可得到多種外頻輸出。
頻率合成器的頻率調節精度與頻率寄存器的位數有關，譬如，如果頻率寄存器為5位，則調節步長為1MHz。為數越多，調節精度越高。在實用的頻率合成器中，Mdiv和Ndiv兩個分頻器均為可編程的，隻要用戶設定相應的fout數值，BIOS便能自動給出N、M和K的值，并通過SMBus總線寫入相應的寄存器中。
2.PLL實現相位同步的自動控制原理
時鐘芯片是電腦的心髒，其性能和穩定性直接決定着整個硬件系統的性能。采用頻率合成器一方面可以節省成本與主闆空間，更為重要的目的是使主闆各芯片以及外部設備的時鐘信号與CPU的時鐘信号之間保持嚴格的同步關系，以保證正确地交換數據。FS芯片不僅具有倍頻／分頻功能，更主要的特點就是具有相位鎖定功能——輸出信号的相位被強制跟參考信号的相位保持一緻。因此，頻率合成器輸出的各種時鐘信号雖然頻率各不相同，但它們在相位上是完全一緻的，它們都與參考信号源保持相位同步。
為了實現相位鎖定，VCO輸出的時鐘信号與參考頻率信号在鑒相器中進行相位比較，如果兩者相位不同，就會輸出一個與相位差大小成比例的誤差電壓；誤差電壓的極性決定了電荷泵内的電流源是吸收還是送出電流，所以電荷會流入或流出濾波器内的電容器，電荷流動的數量與相位差的大小成正比。壓控振蕩器是一個受電壓控制的振蕩器，内部的變容二極管兩端電壓變化時，其電容量會随之改變，從而改變振蕩器的頻率。
壓控振蕩器是PLL電路的核心單元，相位控制過程是依靠改變壓控振蕩器的輸入電壓（即調諧電壓）實現的，調諧電壓的大小和極性決定了相位調整是滞後還是超前，從而使相位誤差得以校正。
3.頻率合成器的其它功能
在主闆設計中使用頻率合成器芯片，可以很容易地實現時鐘頻率的調整和相位鎖定。除了這些功能，頻率合成器還允許主闆設計工程師通過微調各種接口時鐘之間的時鐘延遲，使各種相關接口的組件保持同步，方便了設計和調試工作(圖8)。
此外，頻率合成器芯片在系統穩定性和安全性方面也是可以有所作為的。一方面，可以對不需要調整的頻率進行鎖定，防止因CPU超頻而導緻其它設備失效的情況；另一方面，一些頻率合成器芯片中還設計了“看門狗”功能，一旦超頻失敗導緻死機時，此功能可以對頻率寄存器進行清零，使系統按照CPU的默認頻率正常啟動。
目前，頻率合成器芯片的應用已經十分普遍，常見的有ICS、Cypress、IDT、Realtek和Winbond等品牌。不過，在nForce2主闆中，已經找不到頻率合成器的身影，因為頻率合成功能已經整合到IGP/SPP芯片中了。
AMDAthlon系列處理器的倍頻信号工作流程，當RESET#信号到來時，處理器将FID信号送給邏輯信号轉換芯片，由該芯片産生SIP(serializationInitializationPacket，串行初始化數據包)，對系統總線進行初始化和設置。
在CPU上設置了一些稱為金橋的連接線，FID信号的電平可以通過改變金橋的通斷進行設置，金橋接通時為低電平，斷開時則為高電平。FID信号在内置倍頻控制單元内生成，并經内置FID驅動電路對信号進行放大後，從FID引腳送至邏輯信号轉換芯片，産生的SIP數據包再從BP_FID引腳返回到CPU。這樣，CPU内部的頻率合成電路便可以将倍頻與外頻兩個信号一起合成CPU的核心頻率。
4.内存頻率的設置
早期主闆上内存總線時鐘信号也是由頻率合成器産生的，不過較新的主闆已經撇開了主闆上的頻率合成器芯片，而由北橋芯片完成内存總線時鐘頻率的設定，這在業界被稱作“内存異步”。
與CPU頻率的自動設置原理相似，北橋芯片内的頻率合成器也是通過一定的手段實現自動設置頻率的。内存的頻率由内存條上的SPD(SerialPresenceDetect内存序列存儲芯片)提供。SPD類似于主闆上的BIOS，存儲了内存芯片的内存容量、工作頻率、延遲時間(CAS、tRCD、tRP、tCA)及工作電壓和廠商信息等，北橋芯片通過SMBus總線的SDA引腳讀取每個DIMM的SPD中的參數，SPD芯片的信息就會被記錄在北橋芯片内PLL電路的寄存器(Register)中。
内存總線時鐘與系統時鐘的頻率往往并不相同，譬如系統時鐘為133MHz，而内存時鐘的頻率為200MHz時，兩者之間存在67MHz的差異，這種頻率上的差異被稱為“内存異步”。不過，為了實現内存與CPU之間的同步通信，兩個總線在相位上仍然需要保持同步。實現相位的同步在技術上并不困難，隻要北橋芯片中的PLL電路與頻率合成器中的PLL電路使用同一個參考頻率fref就可以了。
事實上，即插即用的外部設備的頻率設置與内存頻率的自動設置原理基本相同，主機通過讀取設備中ROM芯片中包括頻率在内的特征參數，然後自動分配系統資源，自動配置驅動程序，使得設備可以正常工作。
為電腦把脈
1.檢試實際頻率，釋放設備潛能
IntelProcessorFrequencyIDUtility是Intel公司發布的CPU的檢測軟件，該軟件列出了“報告頻率”和“預期頻率”兩項數據，前一項表示被測試CPU的當前運行速度，後一項表示被測試CPU出廠時所設計的最高操作速度。如果兩者數據一緻，即說明CPU未被超頻。如果報告頻率低于預期頻率，則說明處理器的能力沒有發揮出來。
使用測試軟件能夠大緻了解各設備的工作狀态，對優化系統性能非常重要。與上述檢測軟件類似的還有很多，所有需要測試的頻率都可以通過測試軟件顯示出來。不過，一些高級玩家懷疑軟件測出的頻率是否準确。這種懷疑不是沒有根據的，因為檢測軟件運行的平台，是基于參考頻率fref的。如果參考頻率自身都不準确，軟件測出的頻率值也就難以保證。不過，要精确地測量時鐘信号的頻率時，可以使用示波器。
外部設備的性能與接口電路工作頻率之間有着密切關系。以硬盤為例，如果使用AIDA32等軟件測出硬盤的最高UDMA傳輸模式為UDMA6(ATA-133)，但當前UDMA傳輸模式為UDMA1(ATA-33)。即硬盤本來可以工作在133MHz的頻率下，而接口卻隻以33MHz的頻率交換數據。那麼就會極大地降低硬盤性能。遇到這種情況，說明設備的潛能沒有發揮出來，應檢查BIOS中的接口模式選擇是否正确或通過安裝相關IDE驅動程序來解決。
2.防止心跳過速
頻率過低造成設備性能低下，相反，如果頻率過高則會造成設備工作不穩定，甚至徹底罷工。平時我們在對顯示芯片和顯存進行超頻之後，顯示畫面出現花屏就屬于典型案例。因為心跳過速而導緻設備不能工作的情況，在電腦故障中占有相當大的比重。因為種種原因，一些設備工作頻率實際上是達不到标稱頻率的。對于此類問題的處理，筆者在“電腦故障降頻診斷法”(《微型計算機》2003年第17期)一文中已有詳細介紹。在此需要補充一點，如果CPU超頻失敗導緻不能啟動後，将CMOS放電，BIOS會以100MHz外頻的安全模式啟動，并不會造成嚴重後果。
總結
在電腦的實際使用過程中，相信大部分DIYer對于“頻率”一詞的興趣一開始都建立在對CPU、内存、顯示核心和顯存的超頻之上。同時我們也相信，本文關于頻率的深入探讨對您而言，不論是解決電腦故障還是享受超頻的快感，都将起到極大的幫助。不過，在此我們仍然強調一點——當您把玩“頻率遊戲”時，請記住“超頻”是把雙刃劍，它能讓您感受到運行速度的提升，但穩定性下降、系統崩潰，甚至硬件損壞等風險也會時刻相随！
