为什么CPU需要时钟

为什么CPU需要时钟这样一个概念?

什么是时钟脉冲，CPU为什么需要时钟，时钟信号是怎么产生的？

上面这个图的方波就是一个脉冲，类比于人类的脉搏跳动。一个脉冲称之为CPU的一个时钟信号，或者时钟脉冲。一个脉冲周期就叫CPU时钟周期，一个时钟周期内时钟信号震荡一次。

接下来我们先来看这个电路图：

在上图中，起初$A=B=1$时，$Q=0$.当输入信号发生变化时，逻辑元件不会立即对输入变化做出反应，会有一个传播时延（propagation delay）。当这个B变化为0时，由于B也作为XOR直接输入，所以XOR异或门会立即感知一个输入变化为0的状态变化，XOR输出变为了1。但是由于传播时延的作用，与门的输出会过一小段时间才变为0，XOR们的输出会在变为1后隔一小段时间重新变回0.可以通过下图来看这个变化的过程：

上面的这种现象叫做空翻（race condition），即指出现了一个不希望有的脉冲信号。可以看到虽然AB是一样的结果，但是输出的Q却得到了不一样的结果，对应Q中突起的那一小块。

为了解决这种传输时延带来的错误结果，最简单的方法就是在输出端放置一个边沿触发器：

可以看到我们在原来电路的基础上，添加上了一个CLK。边沿触发器的作用就是只有当CLK端输入从0变为1时，数据端D的输入才会影响边沿触发器的输出。这样，所有的传播时延都会被边沿触发器所隐藏掉，这个时候Q端的输出将变得稳定（不会受传送时延的影响）。比如：

上图中Q中的灰色部分代表没有边沿触发器时Q端状态的输出。我们可以看出，当有了边沿触发器之后，Q端的输出变得稳定，基本消除了传播时延。

根据上图我们进一步理解前面说的边缘触发器的作用。在上述的电路中，只有当CLK处于高电频的时候输出端Q才会接收输入。所以只要AB运作时的传输时延控制在CLK低电频率的时间段内，传输时延产生的影响就会被输出端屏蔽掉。

通过上面的例子我们可以看出CPU为什么要时钟：目前大多数的微处理器都是呗同步时序电路所驱动，而时序电路由各种逻辑门组成。正如上面说的那样，逻辑门需要一小段时间对输入的变化做出反应。所以需要时钟周期来容纳传播时延，并且时钟周期应当打到容乃所有逻辑门的传输时延。

当然，还有一种异步逻辑电路（Asynchronous sequential logic）,即不需要时钟信号做同步。但是这种异步逻辑电路虽然速度比同步时序电路快，然而设计起来比同步时序电路复杂的多，并且可能会遇上前面说的空翻现象。所以，现在绝大多数的CPU还是需要时钟做信号同步的。

关于计算机中的时钟脉冲是如何产生的？

计算机中的时钟脉冲是由一个叫晶振部件辅助产生的，这里不细讲。可以理解的是通过晶振可以稳定的脉冲信号，可以作为上图中的CLK。

参考

• 为什么CPU需要时钟这个概念
• Why do Microcontrollers need a Clock
• 晶振的讲解及使用