在前几期，我们揭秘了如何从软件层面和硬件层面优化计算机缓存，来实现让程序跑得更快，链接如下：
软硬件融合技术内幕 基础篇 (9) ——大厂高P毕业背后的隐情 (上)
软硬件融合技术内幕 基础篇 (10) ——大厂高P毕业背后的隐情 (中)
软硬件融合技术内幕 基础篇 (11) ——大厂高P毕业背后的隐情 (下)
而实际上，决定系统运行性能最核心的一个因素，是系统的时钟。
对计算机硬件略有了解的读者都会注意到，CPU和内存等部件，都有一个关键的性能指标：工作频率。
如前文中提到的，小霸王学习机的CPU运行在1MHz，因此只能支撑魂斗罗等游戏的运行。而现在的手机的CPU工作频率往往达到1.5GHz以上，因此，可以运行王者荣耀、英雄联盟、绝地求生等画面精美，场景激烈的游戏。
那么，CPU运行频率究竟是怎么决定的呢？
我们从最简单的例子看起。
小霸王学习机有个好兄弟，叫单片机。
这个东西在一颗芯片里面集成了并行IO口和串口等电路，工作频率的上限为12MHz。实际上，为了方便生成9600Hz及其整倍数的串口通信波特率，一般采用11.0592MHz作为单片机的工作频率。
怎么样改变单片机的工作频率呢？
原来，单片机的工作频率来自这个家伙——
这个东西里面有一小片石英晶体，能够允许频率处于一个非常窄的范围的电信号通过——也就是石英晶体的固有频率，结合单片机内部的起振电路，就可以为单片机提供时钟信号。
类似地，在x86计算机中，也有一颗这样的时钟基准源——
它和单片机的晶振实际上是一样的东西，其固有频率最初为14.318MHz。
为什么是这个数字呢？
原来，早在1980年代，IBM的工程师们为了让计算机能够用电视机充当显示器，需要让计算机输出NTSC电视制式的模拟信号到电视机。NTSC彩色制式的色副载波频率为3.58MHz，因此在主板上设计了一个14.318MHz的晶振，经过2次对半分频以后，得到3.58MHz的NTSC基准频率。初代基于8086的4.77MHz工作频率则是14.318MHz的三分之一。
这个设计一直传承下来，直到现在的计算机中仍然能找到这个频率的痕迹。
一些喜欢思考的同学可能会注意到，现在计算机的CPU频率往往是100MHz的整倍数，如方老师使用的这台Microsoft Surface Pro 7的CPU基频是1.3GHz：
实际上，1.3GHz是100MHz的13倍频，而100MHz又是从哪里来的呢？
原来在主板的南桥上，内置了嵌入式时钟控制器(Integrated Clock Control)。它的逻辑框图如下：
(来自Intel Z370系列南桥的Data Sheet)
如图，目前主板上基准时钟晶振已经更新为24MHz，经过芯片内部的PLL电路，转换出100MHz的BCLK (Base Clock)，输出到CPU/北桥/内存/PCI-E子系统，作为这些子系统工作的时钟基准。在前文中，内存工作频率为2400/2666/2933/3200等，PCIe工作在5GHz，这些子系统的工作频率实际上都是通过BCLK转换出来的。
子系统与BCLK之间的转换关系被称为Clock Tree。
以方老师手头这台计算机为例，其CPU运行在1300MHz，DRAM运行在1200MHz(2400的一半)，而GPU运行在300MHz，其Clock Tree如下图：
图中可以看出，来自南桥的100MHz基准频率，送到CPU，DRAM和GPU以后，分别经过13倍，12倍和3倍的倍频转换，成为了这三个子系统的工作频率。
有些同学可能会联想到，在《虚拟化与云计算硬核技术内幕 (1) —— 睿频与精酿》中，我们提到过，CPU的频率是可以动态调整的，当系统负载较高的时候，CPU会短时间自动提升频率，在撞上了“温度墙”以前，可以以超过基准频率的速度工作，也就是提高倍频的倍数。实际上，GPU也可以支持这一功能。
那么，倍频和自动调整倍频这个功能，是如何实现的呢？
请看下期。
