Các đồng hồ PC hiện đại

Một máy tính hiện đại có ít nhất hai tinh thể trên bo mạch chủ; Một được dùng để điều khiển tốc độ và mạch của bo mạch chủ, miếng kia dùng để điều khiển đồng hồ thời gian thực (RTC: real-time clock).

Miếng tinh thể chính luôn luôn là 14.31818MHz (có thể được rút gọn như 14.318 hay chi 14.3) và tinh thể RTC luôn luôn là 32.768KHZ.

Tại sao là 14.31818MHz?

Máy tính vintage IBM đầu tiên năm 1981 chạy ở 4.77MHz, một tốc độ bắt nguồn từ việc dùng một tinh thể 14.31818MHz và sử dụng một mạch bộ chia để chia tần số cho 3 để có 4.77MHz. Nhiều người bị nhầm lẫn về lý do IBM chọn chạy bộ xử lý ờ 4.77MHz; Xét cho cùng, bộ xử lý 8088 được ước tính 5MHz và tất cả họ phải làm là chạy bộ xử lý này ở tốc độ được thay đổi tinh thể chính này từ 14.318MHz lên 15MHz. Vâng, sự thật là nếu họ làm thế, họ phải thêm nhiều tinh thể vào thiết kế. Bạn thấy đó, tinh thể 14.318MHz tương tự chia cho 3 để chạy bộ xử lý cũng được chia cho 4 để có 3.58MHz, là tần số chính xác cần thiết cho tín hiệu điều biên video màu NTSC được yêu cầu để tương thích với TV màu.

Nhưng đó không phải là tất cả: Có mộc mạch khác chia tinh thể này cho 12 để có 1.193182MHz, được dùng bởi một chip định thời gian/bộ đếm khoảng thời gian 16 bit ba kênh có thể lập trình 8253. Mỗi kênh được sử dụng để lấy một tín hiệu đồng hồ nhập vào và cho ra một tín hiệu xuất bằng cách chia cho một số 16 bit bất kỳ. Kênh 0 được dùng để thực hiện những tiếng tích tắc của đồng hồ thời gian ngày. BIOS lập trình nó để gọi ra 1NT 08h mỗi 65,536 tiếng tích tắc, khoảng 18.2 lần cho mỗi giây (hay khoảng mỗi 55 millisecond). Các thường trình phần mềm kết nối tới INT 08h tạo ra đồng hồ thời gian ngày được cập nhật và cũng kéo các hoạt động khác cần thiết thực hiện theo định kỳ. Kênh 1 được dùng để báo DMA làm tươi RAM động mỗi 72 chu kỳ (khoảng 15 microsecond), kênh 2 được dùng để tạo ra một tín hiệu âm thanh cho loa (những tiếng bíp)—những âm thanh khác nhau được làm ra bằng cách thay đổi số chia.

Vì vậy bằng cách lựa chọn cẩn thận tinh thể 14.318MHz thay vì 15MHz hay một số tốc độ khác, các kỹ sư IBM thiết kế một bo mạch chủ trong đó chi một tinh thể có thể dùng để chạy bộ xử lý, card video, đồng hồ thời gian ngày, làm tươi bộ nhớ và cả những tiếng bíp. Thiết kế tinh thể đơn này cho phép bo mạch chủ được sản xuất với ít thành phần hơn và chi phí thấp hơn.

Bằng chứng cho sự nhìn xa thấy trước của họ, tất cả máy tính và laptop hiện đại vẫn được điều khiển bởi tinh thể 14.318MHz! Tinh thể này, cùng chung với một chip máy phát định thời gian tần số, được dùng để lấy được hầu như tất cả tần số được sử dụng trong một bo mạch chủ hiện đợi bởi CPU, các bus, bộ nhớ vv…

Các PC không chạy ở 14.318MHz có tốc độ tinh thể được dùng như thế nào?

Và điều gì xảy ra khi bạn lắp đặt một bộ xử lý khác? Hệ thống điều chỉnh bus và những tốc độ khác như thế nào để thích ứng chip mới này? Câu trả lời ở con chip đặc biệt được gọi là frequency timing generấtor (FTG) hay tạo xung dùng chung với tinh thể này để lấy được các tốc độ thực sự của hệ thống.

Đồng hồ thời gian thực (RTC: real-time clock) trong PC đầu tiên không chính xác, nên bắt đầu với IBM AT năm 1984, IBM thêm vào một tinh thể 32.768K.Hz riêng biệt để đếm thời gian độc lập với tốc độ hệ thống. Tinh thể này cũng được sử dụng trong tất cả bo mạch chủ hiện đại.

Đa số chip tạo xung được dùng trên bo mạch chủ PC đều được làm bởi một ít công ty, bao gồm Integrated Device Technology (www.idt.com; formerly Integrấted Circuit Systems) và Cypress Semiconductor (www.cypress.com; formerly International Microcircuits Inc [IMI]). Những chip này dùng mạch vòng lặp khóa đồng bộ (PLL: phased locked loop) để tạo ra bộ xử lý, PCI, AGP và những tín hiệu định thời gian bus khác được đồng bộ hóa tất cả xuất phát từ tinh thể đơn 14.318MHz. Tinh thể và chip tạo xung thường định vị gần bộ xử lý và thành phần chipset chính của bo mạch chủ.

Điều thú vị về những chip này là phần lớn chúng có thể lập trình và điều chỉnh được nên có thể thay đổi các đầu ra tần số qua phần mềm dẫn đến hệ thống chạy các tốc độ khác nhau. Do tất cả CPU đều dựa trên tốc độ của bus CPU, khi thay đổi tốc độ bus CPU được tạo ra bởi chip tạo xung, bạn có thể thay đổi được tốc độ bộ xử lý. Bởi vì các bus PCI, AGP và bộ nhớ thường đồng bộ hóa với tốc độ bus bộ xử lý, khi thay đổi tốc độ bus bộ xử lý & bảng số phần trăm định sẵn, bạn cũng thay đổi được tốc độ của những bus khác với cùng số phần trăm đó. Phần mềm để thực hiện việc này được dựng sẵn vào các bảng chọn BIOS Setup của phần lớn bo mạch chủ hiện đại.

Hệ số nhân và các tốc độ bus

Các bộ xử lý hiện đại chạy gấp nhiều lần tốc độ bo mạch chủ và hệ số được lựa chọn này thì thường bị khóa trong bộ xử lý; do đó, tất cả chúng ta có thể làm để thay đổi các tốc độ là thay đổi các thiết lập tốc độ bus bộ xử lý. Bus bộ xử lý cũng được gọi là CPU bus, front side bus (FSB) hay processor side bus (PSB), tất cả đều là các thuật ngữ có thể thay thế cho nhau.

Cho thí dụ, tôi dựng một hệ thống dùng bộ xử lý Intel Pentium 4 3.2E, điển hình chạy ờ 3,200MHz trên bus CPU 800MHz. Do vậy, bộ xử lý bị khóa để chạy gấp bốn lần tốc độ bus CPU. Tôi đã có khả năng để làm tăng tốc độ bus CPU từ 800MHz đến 832MHz, nghĩa là tốc độ bộ xử lý tăng từ 3,200MHz đến 3,328MHz, tức là nhanh hơn 128MHz. Làm việc này mất khoảng 60 giây để khởi động lại, vào BIOS Setup, thực hiện các thay đổi trên bảng chọn, lưu lại và khởi động lại. Chỉ tăng lên 4% tổng thể tốc độ, nhưng không tốn một xu và kiểm tra chứng tỏ hệ thống ổn định như lúc chưa thực hiện.

Nhiều bo mạch chủ cho phép những thay đổi về tốc độ lên tới 50% hay nhiều hơn, nhưng một bộ xử lý hiếm khi duy trì tốc độ cao hơn tốc độ của chính nó mà không treo hay lỗi. Cũng nhận xét là, bằng cách tăng tốc độ bus bộ xử lý, bạn có thể cũng làm tăng tốc độ bus bộ nhớ, bus PCI hay bus PCI Express (hay AGP) cùng phần trăm. Do vậy, nếu bộ nhớ không ổn định ở tốc độ cao, hệ thống sẽ vẫn treo, mặc dù bộ xử lý có thể có khả năng duy trì nó. Đặc điểm chung thấp nhất thịnh hành, nghĩa là hệ thống sẽ chạy hơn chi khi tất cả thành phần bị tác động.