Clock 时钟

什么是时钟？时钟是一个勇于在计算机内部同步事情的标志。图 2 展示了一个典型的时钟时间标志：固定频率下从 0 到 1 交替变化的方波。时钟时间标志可以通过 Hz 这个单位衡量，也就是指每秒有多少个时钟周期。100 MHz 意味着 1 亿个时钟周期每秒。

在计算机中，所有的时间度量都是以时钟周期为基础的。例如，一个 5 延迟的 ram 内存指令就是指从内存中读取数据需要经过 5 个时钟周期的延迟。在 cpu 中，所有的指令都会有一定数量时钟周期的延迟。例如，一个指定的 cpu 指令可以要等待 7 个时钟周期才能执行。

关于 cpu，有趣的是 cpu 知道每个指令需要消耗的时钟周期数。所以，如果有两个将要被执行的指令，而且 cpu 知道第一个指令将会延迟 7 个时钟周期才会执行，cpu 将会在第 8 个时钟周期执行第二个指令。当然，这是当 cpu 只有一个执行单元时最普遍的介绍 -- 现代的处理器都有多个执行单元并行，也就是说第二个指令可以和第一个同时执行。这叫做超标量 cpu 架构。

超标量（superscalar）CPU 架构是指在一颗处理器内核中实行了指令级并行的一类并行运算。这种技术能够在相同的 CPU 主频下实现更高的 CPU 吞吐率（throughput）。处理器的内核中一般有多个执行单元（或称功能单元），如算术逻辑单元、位移单元、乘法器等等。未实现超标量体系结构时，CPU 在每个时钟周期仅执行单条指令，因此仅有一个执行单元在工作，其它执行单元空闲。超标量体系结构的 CPU 在一个时钟周期可以同时分派（dispatching）多条指令在不同的执行单元中被执行，这就实现了指令级的并行。超标量体系结构可以视作 MIMD（多指令多数据）。

所以，时钟时间和性能之间的关系是什么？把时钟时间和性能等同是关于处理器最常见的误解。

如果你比较两个完全相同的 cpu, 在较高的时钟频率运行的性能会更快一些。在这种情况下，较高的时钟频率的时钟周期会更短一下，运行时间会更短性能也会更好。但是，当你比较两个不完全相同的 cpu 时，上面情况就不一定对了。

如果你有两个不同架构的处理器，例如，不同厂商生产的，比如 intel 和 amd -- cpu 内部结构是完全不一样的。

就像我们提到的，每个指令都会消耗一定量的时钟周期。某一指令，假设 A 处理器消耗 7 个时钟周期，B 处理器消耗 5 个时钟周期。如果时钟频率相同，那么 B 处理器是会快一些。

对于现代 cpu 在性能衡量里要考虑的更多，因为 cpu 有不同数量的执行单元，不同的缓存大小，传输数据到 cpu 的方式不同，在执行单元里运行指令的具体方式不同，不同的时钟频率，etc。不同担心，在这系列文章中我们都会涉及到。

随着处理器时钟信号频率变得越来越高的，一个问题出现了。安装 cpu 的主板不能在同样高的时钟信号频率下工作。如果你认真了解一下主板，你可以看到一些轨迹和路径。这些轨迹就是连接计算机中多个电路的电线。问题是，在更高的时钟周期频率，这些电线开始像天线一样。时钟信号也无法到达电线的另一端，而是消失并作为无线电波传播了出去。