主频、外频和超频

李肖锋
1998年 第30期 07版

#1　　我们时常听到时钟、主频、外频和超频的说法，那么这些概念的准确表述是什么?它们之间又是什么样的关系?主频、外频的高低对电脑速度快慢又有什么影响呢?超频是不是有效呢?本文将给你一个答复。
#1　　时钟和频率
　　在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。我们将第一个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号包括脉冲信号在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫兹）。电脑中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。脉冲信号频率和周期的关系请参考^300701a^。频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz（赫兹）、kHz（千赫兹）、MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。其中1G=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位及相应的换算关系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒），其中：1s=1000ms，1ms=1000μs，1μs=1000ns。
　　电脑中的时钟和我们日常所用的“时钟”可不一样，它没有现在是“几点几分”的指示，而仅仅是一个按特定频率连续发出脉冲的信号发生器。至于电脑主板COMS中保留日期和时间的功能则另当别论。
　　电脑系统中为什么要有时钟？举个例子说吧，我们在做广播操时总要放广播操的录音（或要一人喊口令），这样几十个做操的人中虽然有男有女，有老有少但只要都按统一的节拍做，就可以将广播操做得比较整齐。同样，电脑中是一个复杂数据处理系统，其中CPU处理数据是按照一定的指令进行的，每次执行指令时，CPU内部的运算器、寄存器和控制器等都必须相互配合进行，虽然每次执行的指令长短不一，参与运算的CPU内部单元也不止一个，但由于都能按照统一的时钟脉冲同步地进行，所以整个系统才能协调一致地正常运行。况且电脑中除CPU外，还有存储系统和显示系统等，由于这些分系统运行时也需用特定频率的时钟信号用于规范运行，所以在电脑系统中除了CPU主频和系统时钟外，还有用于ISA和PCI总线和AGP显示接口的时钟，当然这些时钟的频率都低于系统时钟。
#1主频和外频
　　在电脑中，系统总线通常是指CPU的I/O接口单元与系统内存、L2 Cache和主板芯片组之间的数据、指令等传输通道。系统总线时钟就是我们常说的系统时钟和CPU外部时钟（外频），它是电脑系统的基本时钟，电脑中各分系统中所有不同频率的时钟都与系统时钟相关联，详细情况可参考^300701b^。
　　由于从486DX2（CPU）开始，CPU的内核工作频率和外频（系统时钟频率）就不一致了。在586、686电脑中，系统时钟就是CPU的“外频”，而将系统时钟按规定比例倍频后所得到时钟信号作为CPU的内核工作时钟。CPU内核工作时钟频率也就是我们平常所说的电脑主频，例如说某电脑是Pentium－233，那么这台电脑的系统时钟是66MHz，而它的主频则是（66×3.5）=233MHz。
　　从^300701b^可以看出，各分系统时钟和AGP接口时钟都是由系统时钟按照一定的比例分频或倍频得到的，所以调整电脑中的系统时钟频率必然将改变其它各分系统时钟信号频率，影响各分系统的实际运行情况，这一点对电脑发烧友进行CPU超外频运行时应该加以充分重视。
#1主频、外频和运算速度
　　在电脑数据通信中计算数据传输速率常使用公式：时钟频率×数据总线宽度÷8=Betys/s。在电脑系统中，CPU与系统内存、显示接口（如AGP“总线”）以及通过主板芯片组与扩展总线（ISA、PCI）之间进行数据交换时，是按相应的时钟频率进行的。例如当系统时钟为66MHz时，系统内存与CPU之间的数据传输率是528MB/s，AGP高速显示接口工作在X1方式的时钟频率也是66MHz，但由于数据宽度只有32位，所以AGP接口的数据传输速率只能达到266MB/s 。PCI总线的数据宽度虽然也是32位，但由于PCI总线时钟频率只有33MHz，所以PCI总线的数据传输最高速率只有133MB/s。在Intel公司推出440BX主板芯片将系统时钟频率由原来的66MHz提高到100MHz后，CPU与系统内存之间的数据交换速率就达到了800MB/s（100×64÷8）。从这点可以看出，在同样的数据宽度条件下，只要提高工作时钟频率就能提高传输通道的数据传输速率。
　　另外，提高CPU的主频对提高CPU运算速度也是非常有效的措施。举例说吧，假设某型CPU能在1个时钟周期（即^300701a^中的一个周期）执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，所以在人们不断设法提高CPU工作主频的同时，还在努力试图提高电脑的系统时钟频率，这些努力的最终目的是想提高电脑的总体运行速度，因为只有当电脑中的CPU运算速度、各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。
#1制约主频、外频提高的因素
　　既然提高CPU主频和系统时钟频率可以提高电脑系统的运算速度，那么为什么至今为止Pentium Ⅱ的主频只能达到400MHz，电脑系统时钟频率也只由66MHz提高到100MHz？这都是因为提高CPU时钟频率和系统时钟频率受到了一些暂时还无法克服的技术障碍所造成的。
　　提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确，然而目前的CPU生产工艺只能达到0.25um的水平，所以CPU的主频还只能达到400MHz左右。不过据业内人士声称，如果0.18um的工艺技术过关，那么生产出主频为700MHz左右的CPU是毫无问题的，如果再能采用IBM提出的铜基导体技术，那么还有可能制造出工作主频更高的CPU。
　　另一方面，提高系统时钟频率的尝试也受到了运行速度较慢的外部器件制约。几十年来，虽然外部设备，主要是数据存储设备技术也在逐步发展，但其发展的速度同CPU的发展进度相比是不可同日而语的。以硬盘为例，尽管生产厂家丝毫没有松懈地努力对硬盘制造技术进行改进，然而硬盘的读、写的实速度也仅在7MB/s左右，硬盘接口也只能工作在33MHz左右的时钟下，一旦时钟频率提高太多，硬盘就可能无法正常运行。从^300701b^可以清楚地看到，系统时钟频率改变的同时也改变了ISA和PCI等扩展总线的时钟频率，因此必然影响联接在这些接口上的外部设备运行状态，所以我们不能无节制地去提高系统时钟频率。
#1超频运行与外频的选择
　　根据^300701b^我们可以清楚了解到电脑中586、686CPU的主频与系统时钟有对应关系，如Pentium 166的166MHz主频就是将66MHz的系统时钟进行2.5倍频而获取的，因此从理论上讲，将Pentium 166的倍频系数改为3就可以使它运行在200MHz的主频下，这就是我们常说的所谓CPU“超频”，实际上有很多人就是这样做的，甚至许多Remark的CPU也是因此而产生。
　　“超频”损害了CPU生产商的利益，所以Intel对其多数CPU产品进行了“锁频”技术处理，这种锁频CPU采用固定倍频系数的方法去限制用户对CPU超频运行。锁频CPU的表现是当用户人为设置的倍频系数超过原CPU的倍频系数时，CPU就仍然采用原倍频系数对系统时钟倍频，保证CPU运行在标称频率值上。例如锁频Pentium 133的倍频系数被锁定在2上，因此无论你如何在主板上设置倍频系数，你也无法迫使它运行在高于133MHz的主频上。具体表现是当主板设置的CPU内核时钟超过标称值时，CPU一概不予理睬，仍然按规定的倍频系数运行在133MHz主频上。
　　道高一尺，魔高一丈。针对Intel的锁频，不少电脑爱好者另辟蹊径，找出了采用提高系统时钟频率（实际上也就是提高CPU的外频）的方法，强制锁频的CPU运行在高出标称值很多的主频上。具体方法就是将原66MHz的系统时钟提高到75MHz或83MHz上，然后适当调CPU的工作电压，这样尽管CPU的倍频系数不变也能使Pentium 133运行在（75×2）=150MHz或（83×2）=166MHz的主频上。对于其它锁频的686 CPU如Pentium Ⅱ 233等，也可以按此方法进行处理。
　　但采用提高系统时钟的并不一定在每一台电脑上都能成功，这是因为系统时钟频率提高后，电脑中系统内存、PCI总线时钟和AGP显示接口的时钟频率都提高了。由于PCI总线时钟是系统时钟的一半，所以当系统时钟提高到75MHz或83MHz时，PCI总线时钟频率相应达到了37.5MHz或41MHz以上，此时就可能有相当部分品牌的硬盘已经不能正常运行了。同样，由于在66MHz系列的系统时钟下，AGP显示接口的时钟频率与系统时钟频率相等，所以当系统时钟频率提高到75MHz或83MHz时，AGP接口的工作时钟也将高达75MHz或83MHz，在75MHz的工作时钟下已同样有相当数量品牌的AGP显示卡不能正常运行，当时钟频率高达83MHz时，就几乎所有的AGP显示卡都无法正常运行。在系统时钟是100MHz规格时，将系统时钟频率提高到112MHz和133MHz以后对PCI总线和AGP接口的影响情况与在系统时钟频率为66MHz的电脑系统相同，也会由于提高系统时钟频率而造成硬盘和显示卡不能正常运行现象。
　　不过，上述情况也不能一概而论，有些主板采用了特殊分频技术，使PCI总线和AGP总线的时钟频率保持在标准工作频率附近，这里就不再详述，具体设置请看主板说明书。另外系统时钟频率提高后，Pentium Ⅱ型CPU内部的L2 Cache的工作频率也相应被提高，而L2 Cache的访问速度是有一定限制的，当系统时钟频率提高到一定程度（如将66MHz提高到100MHz时），L2 Cache就有可能无法正常工作。因此我们在对没有锁频的CPU和被锁频的CPU超频时要区别处理。对没有锁频的CPU，我们可以采用保持正常系统时钟（CPU外频）频率，提高CPU倍频系数的方法进行超频，超频能否成功仅取决CPU本身的性能和质量；而在采用提高系统时钟方法对锁频CPU进行超频时，超频能否成功则不但取决于CPU的性能和质量外，还取决于系统内存（RAM）、硬盘和AGP显示卡等部件的性能和质量，所以，我们在对CPU进行超频运行时必须要考虑到以上这些因素，适可而止。