今天想來聊一聊芯片設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常基礎(chǔ)的概念——時(shí)鐘。對(duì)于外行來說聽到這個(gè)詞可能會(huì)感覺迷茫，猜一個(gè)大概意思吧可能也不太準(zhǔn)。

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

提起時(shí)鐘，就不得不先說芯片的兩種邏輯——時(shí)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(hào)邏輯僅僅依賴于輸入信號(hào)的邏輯，或者按我的理解，組合邏輯的信號(hào)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(shí)候大家都會(huì)學(xué)一些全加器、半加器、超前進(jìn)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(rèn)為當(dāng)給定輸入信號(hào)的時(shí)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(shí)序邏輯，最重要的就是出現(xiàn)了由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的信號(hào)。

什么意思呢？就是說電路中存在這樣一類器件：他有一個(gè)特殊的控制輸入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)信號(hào)跳變的時(shí)候，輸出信號(hào)才會(huì)根據(jù)其他一般的輸入信號(hào)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(hào)叫時(shí)鐘。

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

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

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

如果這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)一會(huì)快一會(huì)慢，那么信號(hào)的抓取就會(huì)很艱難。所以為了規(guī)范化、統(tǒng)一化整個(gè)電路，讓大家都按照同一個(gè)規(guī)則來走，那么設(shè)計(jì)就會(huì)變得簡單化，這也是時(shí)鐘信號(hào)（clock）的最初衷。

為什么要叫“時(shí)鐘”？就是希望這個(gè)信號(hào)能像鐘表一樣，穩(wěn)定的每隔一段時(shí)間跳變一次，很形象吧？一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘會(huì)控制這個(gè)時(shí)鐘域所有的時(shí)序器件，這些器件就會(huì)統(tǒng)一的隔一段時(shí)間跳變一次，或者說信號(hào)傳輸一次，這就使我們的邏輯設(shè)計(jì)成為可能。

那么，我們?nèi)绾蔚玫揭粋€(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘呢？現(xiàn)在的芯片一般是由晶振產(chǎn)生一個(gè)周期信號(hào)，但這個(gè)信號(hào)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(gè)我們想要的時(shí)鐘。

但是這個(gè)時(shí)鐘也并不是數(shù)學(xué)意義上完美的，對(duì)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(huì)認(rèn)為它的周期一會(huì)大一會(huì)小，從來不會(huì)有一個(gè)完美的時(shí)鐘在現(xiàn)實(shí)宇宙里，畢竟我們后端是要做具體芯片實(shí)現(xiàn)的，必須悲觀考慮。

時(shí)鐘從PLL出來，到每個(gè)flip-flop的delay也會(huì)不同，而我們又希望所有flip-flop都同時(shí)跳變，就需要一步CTS（時(shí)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(gè)貼近生活的例子，我們平?？?a href="http://m.brongaenegriffin.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦CPU多少多少赫茲，就是指CPU的時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘頻率越高，CPU計(jì)算速度自然就越快了嘛。

而所謂超頻，就是強(qiáng)行增大CPU的時(shí)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(huì)出現(xiàn)setup violation哦，所以說超頻更容易死機(jī)，而且power也會(huì)變大，對(duì)芯片也不太好喲。