CPU是怎么改变频率的？
CPU 的频率，也就是我们常说的“主频”，它决定了 CPU 每秒钟能执行多少个时钟周期，直接关系到电脑的运行速度。那么，CPU 究竟是如何改变频率的呢？这背后其实涉及到几个关键的技术和部件。
1. 核心部件：PLL (PhaseLocked Loop) 锁相环
要理解 CPU 频率的改变，就必须先认识 PLL 锁相环。你可以把它想象成一个非常精密的“时钟同步系统”。它的主要工作是接收一个参考时钟信号（这个参考时钟通常由主板上的一个晶体振荡器产生，频率相对固定，比如 100MHz），然后通过一系列的电路设计，生成一个更高频率的时钟信号，这个高频信号就是驱动 CPU 内部各个单元工作的“心跳”。
PLL 的核心功能在于“锁相”，也就是说，它会不断地比较参考时钟和它自己生成的时钟信号之间的相位差（时钟波形哪个在前哪个在后）。如果存在差异，PLL 就会根据这个差异进行调整，直到两个时钟信号的相位几乎完全一致。
2. 频率倍增器：基频乘以倍数
CPU 的频率通常是参考时钟信号的整数倍。比如，如果参考时钟是 100MHz，而 CPU 工作在 3.5GHz (3500MHz)，那么 CPU 的频率就是参考时钟的 35 倍。
这个“倍数”是通过 PLL 内部的频率倍增器（也称为分频器/倍频器）来实现的。PLL 的设计允许我们通过控制一个叫做“分频比”的数值，来决定输出时钟是参考时钟的多少倍。
低频率时： 分频比设置得小，PLL 输出的频率也相对较低。
高频率时： 分频比设置得大，PLL 输出的频率就越高。
3. 如何改变这个“倍数”？
那么，是谁来告诉 PLL 应该使用哪个“倍数”呢？这通常是由CPU 内部的控制单元，或者主板上的芯片组（特别是早期的或者集成了内存控制器的 CPU，这个角色可能在 CPU 内部），以及BIOS/UEFI 协同完成的。
BIOS/UEFI 的角色： 在电脑启动初期，BIOS/UEFI 会根据 CPU 的型号、主板的设置以及用户在 BIOS/UEFI 中的手动调整（比如超频），来确定 CPU 的工作频率。它会将这个目标频率信息传递给主板上的相关控制电路。
主板的控制电路： 主板上的某些芯片（比如南桥芯片或者专门的频率控制器）会接收来自 BIOS/UEFI 的指令，并通过控制 CPU 内部的特定引脚或者总线，来向 PLL 发送指令，告诉它应该采用哪个频率倍数。
CPU 内部的控制逻辑： 现代 CPU 内部集成了更强大的电源管理和频率控制单元（例如 Intel 的 Turbo Boost 或 AMD 的 Precision Boost）。这些单元会根据 CPU 的负载、温度、功耗限制等因素，动态地调整 PLL 的频率倍数。
4. 动态频率调整（Dynamic Frequency Scaling / Turbo Boost / Precision Boost）
CPU 并不是一个“固定频率”的设备。为了实现更优的性能和功耗平衡，CPU 的频率是可以动态调整的。这就是我们常说的“动态频率调整”技术。
低负载时： 当 CPU 只是处理一些简单的任务，比如浏览网页、文字编辑时，核心的负载不高。此时，CPU 内部的电源管理单元会降低频率，甚至将部分核心关闭，以节省电力和降低发热。
高负载时： 当运行大型游戏、视频编辑软件、进行复杂的计算时，CPU 的负载会急剧升高。这时，CPU 的控制单元会提高频率。
Turbo Boost / Precision Boost： 这些技术允许 CPU 在满足一定条件（如温度、功耗、电流限制）的情况下，临时性地将核心频率超频到其标称频率之上，以提供更强的爆发力。这个“临时超频”的幅度，同样是通过调整 PLL 的频率倍数来实现的。
5. 内部的“时钟门控”技术
除了直接改变 PLL 的输出频率，CPU 还有一种更精细的功耗管理技术叫做“时钟门控”（Clock Gating）。
时钟门控： 并非 CPU 的所有部分都会在同一时间以最高频率工作。当某个逻辑单元（比如处理整数运算的单元）在当前不需要工作时，CPU 会暂时关闭（“关闭时钟”）这个单元的时钟信号。这样，这个单元就不会消耗电力，也不会因为时钟的跳变而产生不必要的功耗。
频率调整与时钟门控的结合： CPU 整体频率的提升（通过 PLL）与局部单元的时钟门控相结合，共同实现了高效的性能和功耗管理。当 CPU 需要整体提速时，PLL 提高输出频率；当某个特定功能单元不需要时，时钟门控会“关闭”其时钟。
总结一下，CPU 改变频率的过程可以概括为：
1. 参考时钟： 由主板上的晶体振荡器提供一个基础频率。
2. PLL 锁相环： CPU 内部的核心部件，接收参考时钟。
3. 频率倍增器： PLL 内部的电路，根据一个“倍数”来生成更高频率的时钟信号。
4. 控制指令： BIOS/UEFI、主板控制芯片和 CPU 内部的电源管理单元，根据当前需求（负载、温度、功耗限制）向 PLL 发送指令，改变这个“倍数”。
5. 动态调整： CPU 的频率不是固定的，而是动态变化的，高负载时提高，低负载时降低，甚至会通过 Turbo Boost/Precision Boost 技术临时超频。
6. 时钟门控： 作为辅助手段，CPU 还会根据需要关闭部分单元的时钟，以进一步节省功耗。
这一切的最终目的，都是为了在满足性能需求的同时，最大程度地降低功耗和发热，让你的电脑既能跑得快，又不会变成“发烧友”。
1. 核心部件：PLL (PhaseLocked Loop) 锁相环
要理解 CPU 频率的改变，就必须先认识 PLL 锁相环。你可以把它想象成一个非常精密的“时钟同步系统”。它的主要工作是接收一个参考时钟信号（这个参考时钟通常由主板上的一个晶体振荡器产生，频率相对固定，比如 100MHz），然后通过一系列的电路设计，生成一个更高频率的时钟信号，这个高频信号就是驱动 CPU 内部各个单元工作的“心跳”。
PLL 的核心功能在于“锁相”，也就是说，它会不断地比较参考时钟和它自己生成的时钟信号之间的相位差（时钟波形哪个在前哪个在后）。如果存在差异，PLL 就会根据这个差异进行调整，直到两个时钟信号的相位几乎完全一致。
2. 频率倍增器：基频乘以倍数
CPU 的频率通常是参考时钟信号的整数倍。比如，如果参考时钟是 100MHz，而 CPU 工作在 3.5GHz (3500MHz)，那么 CPU 的频率就是参考时钟的 35 倍。
这个“倍数”是通过 PLL 内部的频率倍增器（也称为分频器/倍频器）来实现的。PLL 的设计允许我们通过控制一个叫做“分频比”的数值，来决定输出时钟是参考时钟的多少倍。
低频率时： 分频比设置得小，PLL 输出的频率也相对较低。
高频率时： 分频比设置得大，PLL 输出的频率就越高。
3. 如何改变这个“倍数”？
那么，是谁来告诉 PLL 应该使用哪个“倍数”呢？这通常是由CPU 内部的控制单元，或者主板上的芯片组（特别是早期的或者集成了内存控制器的 CPU，这个角色可能在 CPU 内部），以及BIOS/UEFI 协同完成的。
BIOS/UEFI 的角色： 在电脑启动初期，BIOS/UEFI 会根据 CPU 的型号、主板的设置以及用户在 BIOS/UEFI 中的手动调整（比如超频），来确定 CPU 的工作频率。它会将这个目标频率信息传递给主板上的相关控制电路。
主板的控制电路： 主板上的某些芯片（比如南桥芯片或者专门的频率控制器）会接收来自 BIOS/UEFI 的指令，并通过控制 CPU 内部的特定引脚或者总线，来向 PLL 发送指令，告诉它应该采用哪个频率倍数。
CPU 内部的控制逻辑： 现代 CPU 内部集成了更强大的电源管理和频率控制单元（例如 Intel 的 Turbo Boost 或 AMD 的 Precision Boost）。这些单元会根据 CPU 的负载、温度、功耗限制等因素，动态地调整 PLL 的频率倍数。
4. 动态频率调整（Dynamic Frequency Scaling / Turbo Boost / Precision Boost）
CPU 并不是一个“固定频率”的设备。为了实现更优的性能和功耗平衡，CPU 的频率是可以动态调整的。这就是我们常说的“动态频率调整”技术。
低负载时： 当 CPU 只是处理一些简单的任务，比如浏览网页、文字编辑时，核心的负载不高。此时，CPU 内部的电源管理单元会降低频率，甚至将部分核心关闭，以节省电力和降低发热。
高负载时： 当运行大型游戏、视频编辑软件、进行复杂的计算时，CPU 的负载会急剧升高。这时，CPU 的控制单元会提高频率。
Turbo Boost / Precision Boost： 这些技术允许 CPU 在满足一定条件（如温度、功耗、电流限制）的情况下，临时性地将核心频率超频到其标称频率之上，以提供更强的爆发力。这个“临时超频”的幅度，同样是通过调整 PLL 的频率倍数来实现的。
5. 内部的“时钟门控”技术
除了直接改变 PLL 的输出频率，CPU 还有一种更精细的功耗管理技术叫做“时钟门控”（Clock Gating）。
时钟门控： 并非 CPU 的所有部分都会在同一时间以最高频率工作。当某个逻辑单元（比如处理整数运算的单元）在当前不需要工作时，CPU 会暂时关闭（“关闭时钟”）这个单元的时钟信号。这样，这个单元就不会消耗电力，也不会因为时钟的跳变而产生不必要的功耗。
频率调整与时钟门控的结合： CPU 整体频率的提升（通过 PLL）与局部单元的时钟门控相结合，共同实现了高效的性能和功耗管理。当 CPU 需要整体提速时，PLL 提高输出频率；当某个特定功能单元不需要时，时钟门控会“关闭”其时钟。
总结一下，CPU 改变频率的过程可以概括为：
1. 参考时钟： 由主板上的晶体振荡器提供一个基础频率。
2. PLL 锁相环： CPU 内部的核心部件，接收参考时钟。
3. 频率倍增器： PLL 内部的电路，根据一个“倍数”来生成更高频率的时钟信号。
4. 控制指令： BIOS/UEFI、主板控制芯片和 CPU 内部的电源管理单元，根据当前需求（负载、温度、功耗限制）向 PLL 发送指令，改变这个“倍数”。
5. 动态调整： CPU 的频率不是固定的，而是动态变化的，高负载时提高，低负载时降低，甚至会通过 Turbo Boost/Precision Boost 技术临时超频。
6. 时钟门控： 作为辅助手段，CPU 还会根据需要关闭部分单元的时钟，以进一步节省功耗。
这一切的最终目的，都是为了在满足性能需求的同时，最大程度地降低功耗和发热，让你的电脑既能跑得快，又不会变成“发烧友”。
网友意见
更改倍频很简单，就是通过PLL CLOCK MULTIPLIER完成。我们从头来看一下。
主板上有好几个晶振，其中最重要的就是XTAL：
它提供了基准的24MHz频率。它接入南桥PCH的嵌入式时钟控制器ICC（Integrated Clock Control），经过其中的PLL和差分器，输出100MHz的时钟信号CLKOUT_CPUBCLK_PIN：
这个CLKOUT_CPUBCLK_PIN就是大名鼎鼎的BCLK：
注意我选择的是不支持超频的Standard Profile，如果是想要超频，需要BIOS选择Overclock profile：
BIOS可以通过调节BCLK PLL来调整输出给CPU的BCLK，可以以1MHz的步进进行调节。这些资料来源于PCH Z270的芯片手册(datasheet）[1]
BCLK也叫做基频（Base Clock，BCLK），它像雪山上留下的第一股泉水，从南桥流出，汇入CPU，从此不断分叉，滋养了其中大多数IP，如内核、核显，也包括今天的主角CPU Cores：
它是基准频率，其他的频率都是在它的基础上变换出来的：
CPU中的各个器件并不是工作在100MHz上，各个IP有自己的倍频（Multiplier)自己服务。例如CPU内核的频率就是这样计算的：
CPU主频 = 基频BCLK × 倍频
举个例子，标称3.5GHz的CPU，它的基频是100MHz，内核的倍频是35，算下来就是
100 × 35 = 3500MHz=3.5GHz
十分简单，是不是？
这个倍频器（Multiplier)又是谁来操作，怎么操作的呢？
倍频器（Multiplier)
举个PLL Clock Multiplier的例子：501A[2].它的原理很简单，就是通过S0，S1两个pin脚来控制输出clock对输入clock的倍数，如下图红框部分：
引脚图如下：
S0和S1有三种状态：高，低和悬空（Float），输出倍数的真值表如下：
从中可以看到501A可以最大变频12倍。当然CPU中并没有用501A，单原理类似，通过控制S0和S1，我们就可以控制倍数关系。在芯片中CPU内核时钟域的倍频器也是由PLL组成。它的控制者就是CPU的主频管家：PCU，关于它，可以参考我的这篇文章：
PCU通过类似控制S0/S1的方式，控制内核PLL倍频器，来操作倍频。
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参考
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