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树莓派4处理器超频指南

news 2024/10/30 21:48:52

概述

在树莓派4的系列硬件中，处理器都是基于Broadcom BCM2711，内部具有4个ARM Cortex-A72和VideoCore VI。如果仔细看：树莓派4B开发板用的是BCM2711B0，主频为 1.5GHz；而Pi 400（Keyboard Computer）的SoC略有区别，型号是BCM2711C0，主频为 1.8GHz。这暗示着RPi 4有一定的超频能力。

图1-树莓派400 vs 树莓派4B

为什么要超频？

如果需要让树莓派跑高速计算的应用，比如视频编解码、图像识别、游戏模拟器等，当然速率越快越好。

有老外网友尝试，BCM2711B0（树莓派4B）可从原来的1.5GHz超频至2.147GHz，而BCM2711C0（树莓派400）可以从原来的1.8GHz超频至2.3GHz（见参考链接[1]）。这种高达30%以上的速率提升，也许某些应用在超频之前是卡顿的，在超频之后就顺畅了。

为什么出厂时不设置超频？

既然谁都喜欢高性能，那么，为什么出厂时不默认设置为超频呢？

首先，芯片由晶圆方式制造出来，一片晶圆上有数千颗芯片，它们都是同批制造，但有些性能好一点，有些性能弱一点。好一点的就有可能被命名为前面的“BCM2711C0”（用于树莓派400），坏一点的被命名为“BCM2711B0”（用于树莓派4B）。厂家在宣传的时候，只能说一个保守的、大多数芯片能达到的性能。那么，经过芯片测试，比如将BCM2711C0设置为1.8GHz，或者将BCM2711B0设置为1.5GHz，它是稳定的、达标的。

图2-芯片在晶圆上同批次生产

其次，所谓“标频”或者“超频”都是相对外在条件而言，这个条件与“散热”息息相关。也许在另一种更好的散热情况下，也许出厂默认时BCM2711C0的标准频率是1.9GHz，或者BCM2711B0的标准频率是1.6GHz，也未尝不可呢？但可以肯定的是，高性能的代价是更复杂的PCB和散热设备，而这都是成本。在高性能情况下，树莓派的售价也许还要更贵，这都是靠钱堆出来的，你说是吧。

超频在超什么？

超频意味着将处理器（CPU 或 GPU）的最大时钟速度设置为高于出厂默认的水平，例如，树莓派4B BCM2711B0的默认时钟速度是 1.5GHz，如果将此时钟速度提高到1.5GHz以上，都称为超频（Overclocking）。

这个超频的“频”，指的是时钟频率，在现代处理器上都是PLL（锁相环）。简单理解的话，PLL是一种压控振荡器，可以通过参数设置，改变时钟振荡器频率。

图3-PLL（锁相环）框图

功耗与节流问题

超频时处理器的功耗会上升，如果多出来的热量散不掉，处理器的温度就会提升，当温度高到一定程度就会引发处理器节流（throttling），这可能会使得处理器性能还不如超频前状态，甚至工作不稳定。我们来看下内部原理：

所有处理器，包括树莓派BCM2711，内部都有很多晶体管组成，由PLL时钟驱动。当处理器在执行指令时，内部晶体管正在进行“0”/“1”或称为“导通”/“关闭”的操作。

图4-晶体管导通与关闭

尽管导通、关闭发生得非常快，但晶体管的状态切换总需要一个时间，这个时间内晶体管内部会有一些的电流流过（图中小峰值），而且，这个时间内晶体管是有阻抗的。那么，电流+阻抗，就会发热。随着时钟频率的增加，这种小峰值的数量也成比例地增加，热量也随之增加。

处理器内部具有保护机制来保护硬件免受损坏，比如，在温度过高时自动减慢时钟速率，这个就是处理器节流（throttling），这种情况下处理器的性能会比出厂默认的1.5GHz更差。这就是为什么如果要超频，就一定要配备良好的散热设备，不然适得其反。

除了温度上升，处理器需要消耗更多能量，为此处理器的电力供给也要充足，有时还需要适当提升处理器的供电电压，来维持所需功耗。

对于树莓派来说，如果处理器温度太高（80°C及以上）、或者供电电压不足，在显示屏上会有指示标记提示（我没看到过，看过的网友留个言）：

图5-树莓派超频时出现供电电压不足的标志

超频的潜在影响

我们需要知道：超频时处理器处在更为恶劣的工作状态下。

处理器内部还有另一个保护机制——动态时钟切换（Dynamic clock frequency），它的意思是CPU根据需要来切换时钟频率，在有任务执行的时候高速执行，在没有任务执行的时候，就低速运行。

但是偏偏有些人会把“动态时钟切换”这个功能关闭，强制让处理器一直处于超频模式下，这样CPU是容易损坏的。

因为在超频状态下，晶体管承受的是高温和高压。在现代芯片制造中，例如树莓派的BCM2711就是28nm工艺制程，晶体管的gate绝缘层很薄，薄到只有几十个原子厚。长期的高温和高压，该层容易被击穿，处理器也就废了。

图6-MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）内部极薄的金属氧化物层（红框内部两个白色箭头所指区域）

这就是为什么不推荐买那些跑过矿机的二手显卡，因为经过长期的高负荷运行，它们的芯片内部可能已经“千疮百孔”了。。。

超频方法

超频方法很多博主有讲，具体操作过程很详细，详见参考链接[1]~[5]，在此罗列一下关键步骤及其说明。

首先，处理器工作频率的调整是在/boot/config.txt文件里面进行参数配置，在该文件中找到arm_freq、gpu_freq、over_voltage，改为如下值：

arm_freq=2000
gpu_freq=750
over_voltage=6

分别解释一下：

arm_freq，是ARM核的工作频率，2000是设置为2GHz。如参考链接的多篇文章指出，设置为2147（2.147GHz）是上限。如果再高，会有不稳定现象，或者无法正常启动。
gpu_freq，是GPU核的工作频率，从默认的600MHz，改为750MHz。
over_voltage，代表不同的处理器供电等级，默认是1.35V供电，设置为数值“6”，表示供电改为1.5V。