作為一個軟工狗，如何明白時鐘是如何驅動CPU工作的？

01-13

看了大家的回答，我覺得我真正想問的問題是：時鐘是如何驅動CPU工作的。
除了大家推薦的《編碼》，下面是我找到的一個貌似能解答我的問題的網站，等有時間研究一下。
http://www.buthowdoitknow.com/

謝謝大家了。

起初，你困惑於時鍾。你對自己說：是不懂數字電路

然後你會想產生時鐘的振蕩電路是什麼原理。你覺得不踏實，你對自己說：嗯，應該去學一下模電。

然後你會想 NPN PNP 是什麼原理，為什麼能造出三極體什麼的。你覺得不踏實，你對自己說：嗯，應該去學量子力學，物理知識。

然後你進入量子力學的世界，你發現數學能力捉急，之前理解的世界都是實數，沒有維度概念，你覺得不踏實。你對自己說：嗯，應該增加數學修養。

然後你進入數學的世界，打好數學基礎，然後苦惱於為何1+1=2 為何概率和等於1 久久不能釋懷，你覺得不踏實。你對自己說：嗯，應該進一步思考數學的本源。

然後你進入更高級的數學世界，思考公理化，然後苦惱於天分有限，已經一把年紀了。

這個時候你身邊會你之前非常不屑的擺弄php js的小夥伴們已經搞起了自己的startup 拿到了風投擁抱白富美走向人生巔峰了。

都是時鐘惹的禍

===================抖機靈的分界線，下面部分很無聊========================

時鐘其實是時序電路的心臟

構成一個CPU 有加法器乘法器等等部件，有些部件雖然不需要時鐘就可以工作，但是都只能解決簡單的任務比如加法，乘法等等。但是一般的任務都要比這個複雜所以有很多的加法，乘法，為了將其組合協調所以需要時鐘來組織協調他們，而且只有時序電路才可以有記憶功能，才能勝任複雜的工作。

願意深究的話，這個答案應該能幫到你：為什麼CPU需要時鐘才能工作？ - 計算機 - 知乎

是，但是你可以不用理解鍾是什麼回事，也可以把軟體做好。

既然你想聽從頭講起的故事，作為一個化學狗轉行的碼農，我義不容辭，就先講講晶振的原理！我講完以後樓下EE狗們請跟進講LC電路蛤

晶振的物理基礎是固有諧振頻率，化學基礎是壓電效應。諧振是高中就會講的內容，這裡就不細說了，我們來講壓電效應。壓電效應，是由各向異性的電介質晶體，比如石英，受到外力作用而出現電介質極化併產生電壓的一種非線性力學現象，或者與之相對的，向晶體上加電壓而產生的力學現象。

石英是日常最常見的非線性晶體，來源於硅氧四面體不能完美密堆積而產生的各種晶胞構象。由於由有潛在極性的硅氧四面體規則堆積成晶體，所以在某些晶面上，石英整體會呈現極性，並因為電荷的規則分層排布成為電介質。衡量電介質性能的值叫介電常數。

當外加電壓的時候，石英晶體會發揮電介質的特性，讓硅氧四面體變形來極化自己，從而抵消外加的電場，在此過程中產生力學特性。相反，當石英晶體受力的時候，晶胞參數就會改變，硅氧四面體變形，使其極性變化，從而硅氧四面體和石英本身的介電常數改變，這樣一來再受電場的時候，因為其介電常數變化，就會使得電容變化，可以測得電壓變化。形變的彈性也會改變。這就是壓電晶體的正壓電和反壓電效應。

當固定的晶體受力的時候，當然會回彈，產生振動。如果外加電場也周期性變化，使得晶體周期性受力，和石英晶體的固有頻率相同，那麼晶體就會受到電場而反覆振動，反過來增強電場，形成諧振。而如何形成這樣的振蕩電場和如何測量，就是EE狗們的工作啦~請跟進~

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我要寫一點量子力學的二極體原理嗎？

做純軟不建議涉及電路了，人沒那麼大精力，像時鐘電路這種東西沒個五六年功底是理解不了的，電子論壇普遍認可的：三年軟體，十年模電，二十年射頻。所以你經常可以見到三十歲的軟體大牛。但模電這些基礎的東西國內浮躁的環境基本已經很少人深入研究了，學習周期太長，即便學成了可能還不如軟體賺得多。但提醒一點，我國進口金額第一的不是石油，是跟沙子成分一樣的晶元。

題主學的是軟工，一個工程師最基本的技能就是在一堆抽象化的東西上面做上層建築，最忌諱的就是刨根問底。

不是說刨根問底不重要，在時間充分的情況下刨根問底也是好的，但是相比起這個，在抽象概念上做上層建築的能力，也就是給你一堆定義，你可以做出一個世界，是重要十倍的事情。

沒幾個人能說出執行printf ("hello world"); 過程中電腦究竟發生了什麼.

但是這並不妨礙我精通多個語言的hello world.

看到修改後的問題我覺得我應該強答一發。

對，就是因為我，D Flip Flop。

我是數字系統中最常用的小電路模塊之一。當然實際常用的還有RS Flip Flop等親兄弟姐妹，以及鎖存器等堂兄弟姐妹。

他們和我一樣有一個特點，雙穩態，也就是說可以存儲一bit。有數據輸入端，輸入0或1這樣的數據。有控制輸入端，當這個端輸入一些特定的東西的時候，內部存儲的值就會根據數據輸入而改寫。我們Flip Flop家是看見時鐘上升或者下降就會改寫，而我單名一個D字，意思就是直接把數據輸入複製到內部存儲。

試想一個加法器君，他記性不好，不能存儲狀態，那麼a=a+1這種運算就需要我了。讓我的數據輸入接他的輸出，他的輸入接我的輸出，只要我從控制輸入端看到了該改寫的信號，就完成了a=a+1。

而時鐘就是在控制輸入端最常見的小夥伴了。還是上面的問題，要實現循環怎麼辦？一個時鐘信號接到我的控制輸入，時鐘每隔一段時間就告訴我該改寫了，於是我和加法器君就完成了while(true){a=a+1;}

一個功能完整的簡單的CPU的邏輯其實就是這樣

// 取指令的地址 #define PC program_counter // 如果跳轉到別的地方運行完一段代碼還得回來，就得記住原來的地址 #define RA return_address // 要能定時和處理IO必須可以中斷 #define IH interruption_handler

while(true) { int instruction = *(PC++); if(interrupted) { RA = PC; PC = IH; } else switch(category(instruction)) { case jump: if(is_function_call(instruction)) { RA = PC; } PC = jump_target(instruction); break; case arithmetic: calculate(instruction); break; case memory: access_memory(instruction); break; } }

你需要的不是了解那些細節，而是接受並且理解合理的抽象。

比如說，你把cpu當成圖靈機機器本體，把內存當成圖靈機紙帶，那麼一個時鐘周期就是對狀態轉移函數的一次運算。

比如說，你把cpu+內存當成有限狀態機，那麼……好吧，這個也叫狀態轉移函數的。

如果你把cpu當成執行機器指令的抽象機器，那麼時鐘就是pc寄存器(ip寄存器)的一跳。

某984.5學校，專業電子信息工程，今年大四，我學到現在也只在數電上看過如何產生時鐘，555和石英兩個，至於講解時鐘到底是個啥，到底為啥要弄出這個來的，貌似沒有。

你不需要晶振是什麼

你不需要知道鎖相環是什麼

你不需要知道振蕩電路是什麼

你不要知道ROM地址

你不要知道TX RX 上拉電阻下拉電阻是什麼

你不需要了解pnp npn是什麼

你不需要知道的太多了，照樣可以寫出hello world。

如果看的人多，再來寫點單片機的文檔吧

----前電子人照樣可以做伺服器

很奇怪, 如果樓主是這個專業的, 難道會沒有學過微機原理或者單片機之類的課程?

這都是屬於很底層也很基礎的知識範疇.

類似的如果學習過PLC編程就會對於"節奏"格外敏感了. 某個"節奏"下某個繼電器的狀態直接可以控制到宏觀的電路上來. 當然, 實際上PLC中的CPU時鐘並不等同於PLC程序中的一個運行時序, 但是理解起來卻很容易.

同樣的, 在彙編中也很容易學習到時鐘周期的概念. 某個指令需要多少個時鐘才能完成, 背後就是多少邏輯電路做了多少步的動作.

"空乏"一點來說, CPU也好內存也好, 都是數字電路, 它們在工作的時候都會處於某個"狀態",即: 通和斷, 或者你理解成1和0之類的. 軟體就是讓這些電路按照某個時間順序或者條件下為"通"和"斷"的狀態

許許多多的邏輯電路在軟體的控制下最終得出一個最終結果, 也就是你程序的運行結果.

所有的這些電路運行都需要有一個統一的"節奏", 比如要執行"與"操作時, 與門的兩個引腳必須在這之前先被設定為0或1.(這只是一個最最基本的"運算", 想必你肯定是知道的)

所以, 時鐘就是給這些邏輯電路喊口令,打拍子的. 要是沒有統一的時鐘(或者沒有時鐘). 你想想計算機還能運行什麼東西? 都亂套了.

不需要。

我在上大學之前就知道有個東西叫晶振，還知道cpu的頻率是受特殊組件控制的，主頻=外頻x倍頻，外頻和內存頻率、PCI-E頻率相關，也知道超頻需要加電壓，不然有些操作沒法在一個時鐘周期內做完，系統就不穩定崩了。。。。

然而並沒什麼卵用。這並不是軟工必備知識。數電和模電也不是為了教你一個時鐘的概念。

模電我沒上。數電我上了，講的是各種邏輯門電路的概念和功能。比如常見的教學用門電路的電氣特性、門電路組合得到的鎖存器、觸發器等等。

模電數電沒有講時鐘，，，時鐘是微機原理講的。。。

經過評論區提示。。。還是有講的。。。ne555定時器還是。。。勉強算的吧。。。雖然我更多用這個輸出方波。。。

題主為何不去學一下固體物理

..........

晶元都是低電壓直流供電的，電壓圖形一條直線，沒有波段，也就沒有周期。

沒有周期也就不可能逐條完成程序（讓PC指針+1），這點能理解嗎？？

時鐘就是提供震蕩周期，讓PC指針+1，最終目的是讓晶元能一步一步完成程序。

就這樣解釋吧，雖然中間還有好多好多東西

應該看數電和verilog HDL，時鐘主要還是數字電路中的概念。一般verilog HDL的書中都會講到時序電路、時鐘周期、建立時間、保持時間、狀態機等概念，把這些都弄明白了，也就知道時鐘是怎麼回事了。

不過，如果哪天樓主把以上都弄明白了，就會發現還有更基礎的東西，那接下來就要看半導體器件了。知道半導體器件了，還有半導體材料；再接下來的東西可能就是電子、電荷了吧，時髦一點還可以和量子物理扯上點關係呢。

PS：較真一下，樓主貼出來的那段英文所講的內容誤導性太大，嚴格來講基本都是錯的。

如果對這一塊完全沒有概念，推薦一本科普的書。

https://book.douban.com/subject/4822685

事實上我覺得你看完這本書就夠了，如果有什麼不懂的點，可以再去看延伸的書。

==============下面都是裝逼用的============

說到一個時鐘，其實牽扯到的東西還是很多的。

底層的是震蕩電路，大概你需要看看高頻電子線路，高頻電子線路的基礎是模擬電路，到具體的器件和PCB板上，可能還需要高速PCB設計和CMOS器件設計。

上層一些的是，數字電路，最重要的是要知道競爭冒險，上升時間和下降時間，這個和時鐘密切相關，器件能跑多快就是由這個決定的。

更上層一些，你可能需要知道處理器內部是怎麼調頻調壓的，為了不讓執行順序出現混亂，處理器做了什麼額外的工作等等

最上層到代碼層面，如果你不是直接面對硬體的嵌入式狗和驅動狗，大概只需要知道延時是不精準的就可以了？

#所以軟工為什麼要在意時鐘啊喂#

不夠，我學了數電模電，最近做實驗連個48M時鐘振蕩電路都設計不出來，所以還得學

我的個媽呀！學電子的要強答一發!

時鐘嘛，其實和模電關係不是很大，主要是數電，數電上常見的各種解碼器編碼器啊各種觸發器啊什麼的，這些是基礎器件工作離不開時鐘的控制，就像你的心跳來保證你的動脈供血一樣，心臟跳一下泵一下血，同樣的時鐘決定了你器件工作頻率，工作速度什麼的，因為他們都是接受一個脈衝（上升沿下降沿）或者電平（高電平低電平），收到了這東西才開始工作的。

但是呢。

現在我也在了解一些上層軟體方面啦，不只局限於電子硬體。但是感覺是，有這些硬體基礎，再去看軟體的那些東西有點居高臨下和小兒科的趕腳。哈哈，不知道會不會被軟體大神打。

廢話完了，我想說，其實你可以不用管時鐘是啥也可以搞好軟體的。個人在接觸軟體開發過程中，並沒有覺得做軟體需要特別關注硬體的很小的細節方面，知道大致硬體框架就行啦。

然後，你要學微機原理就行啦，了解cpu運行機制，看看cpu每個時鐘在幹啥，每個時鐘又有分段。了解一下其實也行

坐公交上手機隨便答的，沒什麼條理和思路，哈哈。希望可以給你一個參考。

如果不是科班出身的，就看這本書：

編碼的奧秘 (豆瓣)