处理器如何控制时钟速度？

我最近遇到了一个电路上有2个振荡器的STM处理器-我假设一个用于高速操作，另一个用于低功耗。

对于诸如台式机处理器之类的可以将时钟速度更改为任何所需频率（在合理范围内）的事物，它在物理上是如何做到的？

正如alex的回答所表明的那样，现代台式机CPU频率不是连续可变的。它通常以100或133 MHz的步幅运行。（相关：对于超出最大额定速度的“涡轮”，现代x86 CPU如何决定何时更改频率，或者操作系统是否将对电源管理的完全控制权移交给CPU（Intel Skylake）：SKL有一个独立的微控制器具有与486一样多的晶体管，只是为了做出频率决定：为什么这个延迟环在几次迭代后没有睡眠就开始运行得更快？

— Peter Cordes

Answers:

这是使用一种称为设备进行锁相环，或PLL。这是基本PLL的框图：

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

主板上的振荡器不是以CPU时钟频率运行，而是以100 MHz的频率运行。该振荡器仅用作已知的稳定参考频率。在CPU内部，实际时钟频率将由压控振荡器或VCO产生。可以对VCO进行调谐，以在相对较宽的范围内生成频率，但是它本身并不是特别稳定或准确-对于给定的控制电压，该频率会随部件的不同以及电源电压和温度的变化而变化。然后，锁相环用于将VCO输出频率锁定为与参考频率的特定关系。

$f_{PFD} = f_{ref}/D = f_{out}/M$ $f_{out} = f_{ref} * M/D$

例如，假设基准频率为100 MHz，基准除以1（D），VCO除以30（M）。这将导致输出频率为100 MHz * 30/1 = 3 GHz。这种关系可以通过简单地改变分频器设置来改变，这可以通过控制寄存器在软件中完成。请注意，动态更改频率可能不只是更改分频器值那么简单，必须以确保CPU不会看到任何“毛刺”或时钟脉冲太短的方式更改频率。可能需要使用2个PLL在它们之间切换，或者暂时停止时钟或切换到另一个时钟源，直到PLL稳定在新的频率为止。

各地都使用PLL从固定的稳定基准产生精确，易于调谐的频率。您的Wi-Fi卡和Wi-Fi路由器使用它们通过生成所谓的本地振荡器频率来选择合适的信道，该频率在无线电内部用于上变频和下变频调制数据。您的FM收音机很可能会使用FM收音机来对接收频率进行软件控制，从而轻松调出不同的电台。PLL还用于生成高频时钟信号，用于驱动以太网，PCI Express，串行ATA，Firewire，USB，DVI，HDMI，DisplayPort和许多其他现代串行协议的串行器和解串器。

— 亚历克斯·弗兰西奇
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除了以前的答案...

您的STM micro几乎可以肯定有第二个振荡器作为实时时钟。这使时钟保持运行状态（消耗最少的功率），而芯片的其余部分和电路的其余部分掉电。然后，该设备可以保持其时钟和日历运行，并且通常还可以在计时器上重新启动主处理器-这对于嵌入式设备来说都是有用的东西。

— 格雷厄姆
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实时时钟通常比主时钟慢得多（典型值为32kHz），因此，实时时钟振荡器和连接的电路可以具有非常低的电流消耗。

— mkeith '18

@mkeith当然，低时钟速度很重要，但是主要是因为几乎所有处理器都已关闭。

— 格雷厄姆

格雷厄姆，最初的问题是关于为什么有两个振荡器。原则上，您可能只用一个振荡器就可以部分关闭，这样可以节省很多功率。之所以有第二个低速振荡器，是因为动态功耗与时钟频率线性相关。因此，32kHz电路的动态功耗将比10MHz电路的动态功耗低300倍左右。在我看来，降低时钟速度是答案的重要组成部分。

— mkeith '18

@mkeith这不是“原则上”-这就是它在具有RTC的每个芯片上的工作方式。当然，RTC部分使用低速振荡器来节省速度。但是RTC部分从不使用更快的振荡器时钟-它是同一块硅片上的完全独立的电路。同样，芯片的其余部分从不使用较慢的振荡器时钟。RTC本身可以通过以较低的时钟速率运行来消耗较少的功率，但是，芯片的其余整个部分都已断电100％，并且消耗的电流为零（漏电电流为纳安培，仅此而已）。

— 格雷厄姆

@mkeith当然，我同意（尽管从历史上看，RTC晶体的频率来自钟表的石英机电机芯，而不是电子产品的节电）。我只是想为OP澄清，较慢的时钟不是针对主处理器上的“低功耗”模式，而是针对完全独立的外设。

— 格雷厄姆

很小心！

CPU具有二进制可编程的预分频器和带VCO的PLL来驱动计数器，从而使其与前端总线FSB时钟（例如100MHz）相乘。
当使用正确的CPU驱动程序，CPU，OS和BIOS的CPU使用率较低时，将自动选择此动态节能模式。

我的i7（8cpu）从3101 MHz变为800 MHz，并立即执行1100、1300、1500等操作

如果Bios像我一样选择x31，则CPU运行在100MHz x 3100MHz，并且CPU中有一个二进制计数器，可以从x8到x15中选择，以在将CPU芯片电压调节到0.9V的同时降低CPU功率。区域全部保存电力。

我可以将光标与CPU％和内存％一起显示在Win8.1的右上角

— 托尼·斯图尔特Sunnyskyguy EE75
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