单片机跑起来第一章：时钟系统

好，有了CPU、存储器、总线以及外设，我们把它们有机地组合封装在一起，再把各个外设、总线的信号，以及供电和地通过引脚引出来，这就是一片完整的单片机芯片。等等，要让单片机跑起来似乎还少了些什么？对，还有时钟！

时钟系统

如果上面所说的这些都只是单片机芯片的躯壳的话，那么时钟就是在其中流动的血液和跳动的脉搏。时钟对于单片机来说是至关重要的，它是整个系统的激励。它是否稳定、是否精确、是否高速都直接影响了单片机中所有电路的运作，包括CPU、总线、外设等等。从本质上来说时钟就是一个方波信号，如图1.18所示。

图1.18 时钟在单片机中占有至关重要的地位

有人说：“既然时钟的快慢决定了单片机的速度，那只要尽量提高时钟频率就可以让单片机的性能得到飞跃了！？”原理上来说确实是这样的，但是因为很多因素，比如半导体材料的特性、芯片制造工艺等，导致时钟频率并不能无限制地提高（过高频率的时钟信号会导致单片机电路工作异常，问题大多出现在信号的完全性上）。关于这一问题的解释请见图1.19。

图1.19 时钟频率过高将导致信号完整性受损

更形象的说，这就如同人的心跳不能太快，否则血液还没来得及将氧气和养份送到各个组织，就已经急逝而过了。同时，血管也无法承载如此高的血压和血液速度，最终导致人体整体机能的紊乱。相反，心跳又不能过缓，否则血液同样也无法完成输送给养的工作（单片机的时钟过慢可能无法满足我们的应用需求，所以实际应用过程中，选取一个合适的工作时钟是非常重要的）。

不过又说回来了，我们很多时候确实希望单片机运行得越快越好，比如一些计算量很大的实时算法、信号采集、音视频的录制与播放等等。所以无数的工程师、科学家都在致力于提高硬件性能、提高时钟频率、提高加工工艺水平，甚至是尝试新的半导体材料或是改进电路结构。但是尽管如此，时钟频率仍然会有一个无法逾越的顶线。而且人们发现时钟越快，电路工作时的功耗越大。这些窘境以及对高性能低功耗的不断追求，催生了CPU芯片向着多核的方向开始发展（时钟频率不再提升，而是通过增加芯片中CPU内核的数量来提高整体的性能）。

振南上面说，时钟越快，功耗越大。这不难理解，电路不工作时功耗一定最小；一旦有了时钟，它开始工作了，那功耗必然变大。这一原理是现在很多单片机芯片中实现低功耗的根本基础。单片机的设计者为每一个外设电路都配置了一个时钟开关（这些开关也是一些挂接在CPU总线上的特殊功能寄存器，因此可由CPU直接控制），从而可以控制外设停机还是工作。这在很大程度上降低了单片机的整体功耗。这就是现在一些高级单片机中的一个新概念—时钟配置（CC）。它实际上可能会更加强大，不光可以关闭某个外设的时钟供应，而且还可以调节时钟的频率，让外设可以工作在最为适宜的功耗水平下。