上圖的一個(gè)方波稱為一個(gè)脈沖，類似于人類的脈搏跳動(dòng)。對(duì)于每一個(gè)方形脈沖，電壓或電路從0上升到最大值的那條線叫做上升沿；反之，電壓或電流逐漸下降的那條線叫做下降沿。一個(gè)脈沖稱為CPU的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，或者時(shí)鐘脈沖。一個(gè)脈沖周期就叫CPU時(shí)鐘周期，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)震蕩一次。
兩個(gè)脈沖相繼出現(xiàn)的間隔時(shí)間，就是脈沖周期，它是頻率的倒數(shù)；而將在單位時(shí)間（1秒）內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)稱為頻率。
頻率的單位有：Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。
其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。計(jì)算脈沖信號(hào)周期的時(shí)間單位及相應(yīng)的換算關(guān)系是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（納秒）
其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs（微秒），1μs=1000ns。 CPU一定需要時(shí)鐘嗎？CPU可以有時(shí)鐘，也可以沒有時(shí)鐘。使用時(shí)鐘工作的CPU被稱為同步CPU (synchronous CPU)，而不使用時(shí)鐘工作的CPU被稱為異步CPU (asynchronous CPU)。目前市面上廣泛銷售的CPU都是同步CPU。異步CPU要比同步CPU更快，因?yàn)楫惒降腃PU接到輸入立馬就響應(yīng)然后輸出，不需要同步等待其他信號(hào)，用的時(shí)間更少，所以異步CPU快于同步CPU。那么為什么大多數(shù)的CPU采用時(shí)鐘的方式呢？是因?yàn)楫惒紺PU設(shè)計(jì)起來極為復(fù)雜，雖然在時(shí)間上可以有些優(yōu)勢(shì)，但是如果在納秒這個(gè)級(jí)別，快100ns甚至1000ns對(duì)于人來說幾乎是感覺不到的，卻增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，要知道CPU的電路邏輯本生就是人類一壯舉，如果為了減少納秒級(jí)別的時(shí)間，而增加本身就已經(jīng)及其復(fù)雜的電路邏輯，無論是時(shí)間還是人力成本都會(huì)大大增加的。所以設(shè)計(jì)CPU的工程師們，一定比我們更清楚采用什么樣的設(shè)計(jì)，同步CPU是更好的選擇。
為什么CPU需要時(shí)鐘？前面我們知道目前市場(chǎng)上銷售的CPU都是需要時(shí)鐘的同步CPU，那么CPU為什么需要時(shí)鐘呢？
這里有一篇文章講的很好，解釋了為什么CPU需要時(shí)鐘：為什么CPU需要時(shí)鐘這種概念
以下內(nèi)容引自上面的文章
首先考慮如下邏輯電路：
當(dāng)A=B=1時(shí)，Q=0。當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，邏輯元件不會(huì)立即對(duì)輸入變化做出反應(yīng)，會(huì)有一個(gè)傳播時(shí)延（propagation delay）。當(dāng)B變化為0時(shí)，由于B也作為XOR的直接輸入，所以XOR異或門會(huì)立即感知一個(gè)輸入變?yōu)?的狀態(tài)變化，XOR輸出變?yōu)榱?。但是由于傳播時(shí)延的作用，AND與門的輸出會(huì)過一小段時(shí)間才變?yōu)?，XOR的輸出會(huì)在變?yōu)?后隔一小段時(shí)間重現(xiàn)變?yōu)?。表現(xiàn)為下圖就是這樣：
上面這種現(xiàn)象叫作空翻（race condition），即指輸出中出現(xiàn)了一個(gè)不希望有的脈沖信號(hào)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是在輸出端放置一個(gè)邊沿觸發(fā)器：
邊沿觸發(fā)器的作用就是只有當(dāng)CLK端輸入從0變到1時(shí)，數(shù)據(jù)端D的輸入才會(huì)影響邊沿觸發(fā)器的輸出。這樣，所有的傳播時(shí)延都會(huì)被邊沿觸發(fā)器所隱藏掉，這時(shí)Q端的輸出將變得穩(wěn)定。比如：
其中灰色的部分代表沒有邊沿觸發(fā)器時(shí)的Q端輸出狀態(tài)。我們可以看出，當(dāng)有了邊沿觸發(fā)器后，Q端的輸出變得穩(wěn)定，基本消除了傳播時(shí)延。
從上面的例子我們可以看出CPU為什么要時(shí)鐘：目前絕大多數(shù)的微處理器都是被同步時(shí)序電路所驅(qū)動(dòng)，而時(shí)序電路由各種邏輯門組成。正如上面說的那樣，邏輯門需要一小段時(shí)間對(duì)輸入的變化做出反應(yīng)（propagation delay）。所以需要時(shí)鐘周期來容納傳播時(shí)延，并且時(shí)鐘周期應(yīng)當(dāng)大到需要容納所有邏輯門的傳播時(shí)延。
當(dāng)然，目前也有Asynchronous sequential logic，即不需要時(shí)鐘信號(hào)做同步。但是這種異步邏輯電路雖然速度比同步時(shí)序電路快，然而設(shè)計(jì)起來比同步時(shí)序電路復(fù)雜的多，并且會(huì)遇到上面說的空翻現(xiàn)象（race condition），所以，現(xiàn)在絕大多數(shù)的CPU還是需要時(shí)鐘做信號(hào)同步的。
CPU的時(shí)鐘是如何產(chǎn)生的？ 先知道什么是振蕩器CPU的時(shí)鐘信號(hào)就是一個(gè)脈沖，什么東西可以產(chǎn)生脈沖呢，那就是振蕩器。在邏輯電路中，一個(gè)首尾相連的非門就構(gòu)成了一個(gè)振蕩器。記住下面這幅圖的非門符號(hào)。
只要把非門的輸出和輸入相連就可以構(gòu)成一個(gè)振蕩器。
上面就是振蕩器的邏輯電路圖，下面就是振蕩器的樣子。
那這個(gè)東西是怎么工作的呢？在了解這個(gè)振蕩器怎么工作之前，還有一個(gè)東西需要知道，就是常閉觸點(diǎn)的繼電器。為什么要知道常閉觸點(diǎn)繼電器？因?yàn)橐粋€(gè)非門的實(shí)現(xiàn)就是通過常閉觸點(diǎn)的繼電器來實(shí)現(xiàn)的。下圖就是一個(gè)常閉觸點(diǎn)的電磁繼電器。
我們?cè)诔踔形锢砭椭?，電能生磁，在電流周圍?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，給鐵通電就能就能讓鐵產(chǎn)生磁力，這就是電磁鐵。圖中有一個(gè)很大的線圈，只要在這個(gè)線圈的兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服彈簧的返回拉力被吸向鐵芯，從而帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)分離，與常開觸點(diǎn)接通。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來的位置，于是動(dòng)觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)恢復(fù)接通，與常開觸點(diǎn)分離。這樣的常閉觸點(diǎn)繼電器就是一個(gè)非門。因?yàn)樗斎?，輸出卻是0.
現(xiàn)在的情況是打開電源開關(guān)，銜鐵分離；斷開電源開關(guān)，銜鐵閉合，這樣只可以振蕩一次，想想如果將它的輸出作為輸入，它就可以分離，閉合，分離，閉合…，只要有電源，它就可以一直振蕩下去。我們把這種輸出作為下一次的輸入的常閉觸點(diǎn)繼電器就叫做振蕩器。
所以，當(dāng)電源通路的時(shí)候，銜鐵臂會(huì)被吸引，電路斷開。當(dāng)電路斷開，失去吸引力，銜鐵臂恢復(fù)位置，電路又接通。所以，振蕩器的輸出在0和1之間交替變化，于是就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)的脈沖，如下圖。
你可能會(huì)問，這東西又慢又大，怎么可能作為CPU的部件呢？
確實(shí)，這東西不可能放進(jìn)CPU中。說這個(gè)大家伙不過是為了更好理解振蕩器是什么，這有助于對(duì)后面內(nèi)容的理解。
那CPU中是靠什么來產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)的時(shí)鐘脈沖呢？產(chǎn)生脈沖一定是振蕩器，只不過在CPU中，振蕩器不是靠電磁鐵來實(shí)現(xiàn)了。CPU是一個(gè)IC（集成電路），它的時(shí)鐘脈沖由晶振來產(chǎn)生。
晶振這篇文章講的很好：晶振的講解及使用