何谓芯片的“时钟”？芯片时钟是怎么一回事？

今天想来聊一聊芯片设计中的一个非常基础的概念——时钟。对于外行来说听到这个词可能会感觉迷茫，猜一个大概意思吧可能也不太准。

对于芯片工程师来说时钟这个词就像每天喝水吃饭一样平常，以至于可能从来不会注意它的存在。我也趁此机会，通过写文章的方式，梳理一下我所理解的芯片时钟是怎么一回事。

提起时钟，就不得不先说芯片的两种逻辑——时序逻辑（sequential）和组合逻辑（combinational）。

组合逻辑比较好理解，他就是我们常说的与或非这种逻辑门，输出信号逻辑仅仅依赖于输入信号的逻辑，或者按我的理解，组合逻辑的信号传播是瞬间完成的（不考虑cell delay的话）。

不管是多么复杂的组合电路，就比如刚入门电路时候大家都会学一些全加器、半加器、超前进位加法器什么什么的，虽然电路图猛一看特别复杂，可能一张图还画不完，但只要他全部是由逻辑门构成，都可以认为当给定输入信号的时候，输出是不需要等待就可以直接看到的。当然这只是我的理解啦，具体的组合逻辑定义肯定不是这样吧？而时序逻辑，最重要的就是出现了由时钟驱动的信号。

什么意思呢？就是说电路中存在这样一类器件：他有一个特殊的控制输入信号，当这个信号跳变的时候，输出信号才会根据其他一般的输入信号变化。我们一般称这种器件叫触发器（flip-flop），而称这种特殊的控制信号叫时钟。

举一个最简单的D触发器的例子，当时钟从0到1跳变的时候，输出才等于输入，其他时间，不管输入如何变化，输出保持不变。

由此可以看出时序逻辑器件一个重要的功能：寄存数据，因此这些触发器有时候也可以被称为寄存器（register）。当然还有另一种时序逻辑器件叫锁存器（latch），它是指时钟信号维持某个电平时信号才可以传输。

随着flip-flop的出现，时钟的概念也就应运而生了。其实时钟并没有多么奇怪的，他只是一个特殊的控制信号罢了。但是请大家思考这样一个问题：随着电路渐渐复杂，不同电路分支输出的信号我总要抓取的呀，而具体什么时间点抓取信号就成了问题。

如果这个时钟信号一会快一会慢，那么信号的抓取就会很艰难。所以为了规范化、统一化整个电路，让大家都按照同一个规则来走，那么设计就会变得简单化，这也是时钟信号（clock）的最初衷。

为什么要叫“时钟”？就是希望这个信号能像钟表一样，稳定的每隔一段时间跳变一次，很形象吧？一个稳定的时钟会控制这个时钟域所有的时序器件，这些器件就会统一的隔一段时间跳变一次，或者说信号传输一次，这就使我们的逻辑设计成为可能。

那么，我们如何得到一个稳定的时钟呢？现在的芯片一般是由晶振产生一个周期信号，但这个信号并不太好，需要后面经过一系列处理，关键的一步就是通过锁相环（PLL），最终得到一个我们想要的时钟。

但是这个时钟也并不是数学意义上完美的，对我们后端来说，必须要考虑它的不确定性，就是说我们还是会认为它的周期一会大一会小，从来不会有一个完美的时钟在现实宇宙里，毕竟我们后端是要做具体芯片实现的，必须悲观考虑。

时钟从PLL出来，到每个flip-flop的delay也会不同，而我们又希望所有flip-flop都同时跳变，就需要一步CTS（时钟树综合）。这些就比较深入了，PLL和CTS以后再用别的章节来讲吧。

突然又想到一个贴近生活的例子，我们平常看电脑CPU多少多少赫兹，就是指CPU的时钟频率，时钟频率越高，CPU计算速度自然就越快了嘛。

而所谓超频，就是强行增大CPU的时钟频率，可以使CPU速度提高。但是频率越快，timing越难满足，可能会出现setup violation哦，所以说超频更容易死机，而且power也会变大，对芯片也不太好哟。