什麼是時鐘脈衝，CPU爲什麼需要時鐘，時鐘信號是怎麼產生的？
首先知道什麼是脈衝
上圖的一個方波稱爲一個脈衝，類似於人類的脈搏跳動。對於每一個方形脈衝，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。一個脈衝稱爲CPU的一個時鐘信號，或者時鐘脈衝。一個脈衝週期就叫CPU時鐘週期，一個時鐘週期內時鐘信號震盪一次。
脈衝的單位
兩個脈衝相繼出現的間隔時間，就是脈衝週期，它是頻率的倒數；而將在單位時間（1秒）內所產生的脈衝個數稱爲頻率。
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。
計算脈衝信號週期的時間單位及相應的換算關係是：s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（納秒）
- 其中：1s=1000ms，1 ms=1000μs（微秒），1μs=1000ns。
CPU一定需要時鐘嗎？
CPU可以有時鐘，也可以沒有時鐘。使用時鐘工作的CPU被稱爲同步CPU (synchronous CPU)，而不使用時鐘工作的CPU被稱爲異步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，因爲異步的CPU接到輸入立馬就響應然後輸出，不需要同步等待其他信號，用的時間更少，所以異步CPU快於同步CPU。那麼爲什麼大多數的CPU採用時鐘的方式呢？是因爲異步CPU設計起來極爲複雜，雖然在時間上可以有些優勢，但是如果在納秒這個級別，快100ns甚至1000ns對於人來說幾乎是感覺不到的，卻增加了電路設計的複雜程度，要知道CPU的電路邏輯本生就是人類一壯舉，如果爲了減少納秒級別的時間，而增加本身就已經及其複雜的電路邏輯，無論是時間還是人力成本都會大大增加的。所以設計CPU的工程師們，一定比我們更清楚採用什麼樣的設計，同步CPU是更好的選擇。
爲什麼CPU需要時鐘？
前面我們知道目前市場上銷售的CPU都是需要時鐘的同步CPU，那麼CPU爲什麼需要時鐘呢？
這裏有一篇文章講的很好，解釋了爲什麼CPU需要時鐘：爲什麼CPU需要時鐘這種概念
以下內容引自上面的文章
首先考慮如下邏輯電路：
當A=B=1時，Q=0。當輸入信號發生變化時，邏輯元件不會立即對輸入變化做出反應，會有一個傳播時延（propagation delay）。當B變化爲0時，由於B也作爲XOR的直接輸入，所以XOR異或門會立即感知一個輸入變爲0的狀態變化，XOR輸出變爲了1。但是由於傳播時延的作用，AND與門的輸出會過一小段時間才變爲0，XOR的輸出會在變爲1後隔一小段時間重現變爲0。表現爲下圖就是這樣：
上面這種現象叫作空翻（race condition），即指輸出中出現了一個不希望有的脈衝信號。
一個簡單的辦法就是在輸出端放置一個邊沿觸發器：
邊沿觸發器的作用就是隻有當CLK端輸入從0變到1時，數據端D的輸入纔會影響邊沿觸發器的輸出。這樣，所有的傳播時延都會被邊沿觸發器所隱藏掉，這時Q端的輸出將變得穩定。比如：
其中灰色的部分代表沒有邊沿觸發器時的Q端輸出狀態。我們可以看出，當有了邊沿觸發器後，Q端的輸出變得穩定，基本消除了傳播時延。
從上面的例子我們可以看出CPU爲什麼要時鐘：目前絕大多數的微處理器都是被同步時序電路所驅動，而時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間對輸入的變化做出反應（propagation delay）。所以需要時鐘週期來容納傳播時延，並且時鐘週期應當大到需要容納所有邏輯門的傳播時延。
當然，目前也有Asynchronous sequential logic，即不需要時鐘信號做同步。但是這種異步邏輯電路雖然速度比同步時序電路快，然而設計起來比同步時序電路複雜的多，並且會遇到上面說的空翻現象（race condition），所以，現在絕大多數的CPU還是需要時鐘做信號同步的。
CPU的時鐘是如何產生的？
先知道什麼是振盪器
CPU的時鐘信號就是一個脈衝，什麼東西可以產生脈衝呢，那就是振盪器。在邏輯電路中，一個首尾相連的非門就構成了一個振盪器。記住下面這幅圖的非門符號。
只要把非門的輸出和輸入相連就可以構成一個振盪器。
上面就是振盪器的邏輯電路圖，下面就是振盪器的樣子。
那這個東西是怎麼工作的呢？在瞭解這個振盪器怎麼工作之前，還有一個東西需要知道，就是常閉觸點的繼電器。爲什麼要知道常閉觸點繼電器？因爲一個非門的實現就是通過常閉觸點的繼電器來實現的。下圖就是一個常閉觸點的電磁繼電器。
我們在初中物理就知道，電能生磁，在電流周圍會產生磁場，給鐵通電就能就能讓鐵產生磁力，這就是電磁鐵。圖中有一個很大的線圈，只要在這個線圈的兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服彈簧的返回拉力被吸向鐵芯，從而帶動動觸點與常閉觸點分離，與常開觸點接通。當線圈斷電後，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，於是動觸點與常閉觸點恢復接通，與常開觸點分離。這樣的常閉觸點繼電器就是一個非門。因爲它輸入1，輸出卻是0.
現在的情況是打開電源開關，銜鐵分離；斷開電源開關，銜鐵閉合，這樣只可以振盪一次，想想如果將它的輸出作爲輸入，它就可以分離，閉合，分離，閉合…，只要有電源，它就可以一直振盪下去。我們把這種輸出作爲下一次的輸入的常閉觸點繼電器就叫做振盪器。
所以，當電源通路的時候，銜鐵臂會被吸引，電路斷開。當電路斷開，失去吸引力，銜鐵臂恢復位置，電路又接通。所以，振盪器的輸出在0和1之間交替變化，於是就會產生一個一個的脈衝，如下圖。
你可能會問，這東西又慢又大，怎麼可能作爲CPU的部件呢？
確實，這東西不可能放進CPU中。說這個大傢伙不過是爲了更好理解振盪器是什麼，這有助於對後面內容的理解。
那CPU中是靠什麼來產生一個一個的時鐘脈衝呢？產生脈衝一定是振盪器，只不過在CPU中，振盪器不是靠電磁鐵來實現了。CPU是一個IC（集成電路），它的時鐘脈衝由晶振來產生。
晶振
這篇文章講的很好：晶振的講解及使用
