Интерфейс

Состав типового персональный компьютер
Обычно под набором комплектующих, объединенных понятием “типовой
персональный компьютер”, понимают следующий их состав:
1. Корпус с блоком питания;
2. Системная (материнская) плата (motherboard);
3. Процессор (CPU – Control Processor Unit);
4. Оперативная память (RAM – Random Access Memory);
5. Видеокарта;
6. Монитор;
7. Жесткий диск (HDD – Hard Disk Drive);
8. Клавиатура (Keyboard);
9. Мышь (Mouse);
10. Дисковод CD-ROM (CD-RW, DVD);
11. Дисковод гибких дисков (FDD – Floppy Disk Drive);
12. Звуковая карта (Soundcard);
13. Модем;
14. Сетевая карта;
15. Источник бесперебойного питания (UPS).
Другие устройства, как то: принтеры, сканеры, дигитайзеры, видео- и фотокамеры,
джойстики и прочие, по отношению к компьютерной системе являются внешними.
В настоящее время при покупке ПК нам небходимо выбрать связку:
•
•
•
Процессор
Материнская плата
Память
Структура материнской платы современного ПК
Системная (systemboard,SB) или материнская (matheroard, MB) плата является
главной составной частью ПК. Основное назначение системной платы — соединение всех
узлов компьютера в одно устройство.
Конструктивно системная плата выполняется в виде многослойной текстолитовой
печатной платы. Количество слоев может достигать 12, но чаше всего используют 8.
Между каждым слоем располагаются печатные проводники, выполненные из
металлической фольги, которые соединяют ножки микросхем, резисторов, конденсаторов
и разъемов между собой.
Так как современные процессоры работают с внешними устройствами на частоте в
несколько сотен мегагерц, то длина и расположение печатных проводников теперь
рассчитывается по тем же принципам, что и для СВЧ-устройств, когда каждый лишний
сантиметр проводника играет огромную роль. В этом можно убедиться, осмотрев
системную плату — некоторые проводники, на- пример, проложены не по прямой линии,
а с изгибами в виде пружины, что уравнивает их длину.
На СП непосредственно расположены
 разъем для подключения микропроцессора;
 набор системных микросхем (чипсет, chipset), обеспечивающих работу
микропроцессора и других узлов машины;
 микросхема постоянного запоминающего устройства, содержащего
программы базовой системы ввода-вывода (Basic Input-Output System
— BIOS);
 микросхема энергонезависимой памяти (питается от автономного
расположенного на MB аккумулятора), по типу используемых
электронных элементов называемая CMOS;
 микросхемы кэш-памяти 2-го уровня (если они отсутствуют на плате
микропропроцессора) или кэш –память 3-го уравня.
 разъмы для подключения модулей оперативной памяти
 наборы микросхем и разъмы для системных, локальных и
переферийных интерфейсов
 микросхемы мультимедийных устройств и т.д.
На рис. показан в упрощенном виде принцип построения электроники
системной платы. На рисунке, в центре, между процессором, модулями
оперативной памяти и внешними устройствами расположен чипсет — набор
микросхем, которые выполняют служебные функции по распределению
сигналов между всеми блоками. При подаче напряжения питания чипсет
вырабатывает определенную последовательность команд, которая активизирует процессор. Процессор, в свою очередь, по программе BIOS тестирует и
активизирует остальные устройства, установленные и подключенные к
системной плате. Если старт компьютера прошел успешно, то микросхемы
чипсета связывают процессор, память и периферийные устройства в единое
целое — вычислительное устройство, готовое выполнить команды
пользователя или определенным образом реагировать на появление сигналов
в интерфейсных линиях
Если посмотреть внимательно на блок-схему на рис. XX, а, то можно
заметить, что поток информации от процессора к оперативной памяти и
обратно проходит через электронику чипсета. Даже если в чипсете есть
только буферные цепи, то и они, увы, вносят небольшую задержку времени,
пусть даже в идеале и в один такт системной шины. Для современных
компьютерных систем подобная задержка— это уже много, поэтому сначала
корпорация AMD, а потом и Intel перенесли контроллер памяти на кристалл
процессора (рис. 4.2, б). При таком принципе построения процессор работает
с памятью непосредственно, и ликвидируются лишние звенья, что повышает
общую производительность системы.
Cхематическое изображение чипсета материнской платы
Наиболее известными производителями материнских плат на
российском рынке в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI,
Intel, Elitegroup, AsRock. Ранее большой известностью пользовались платы
фирм Abit и Epox. На сегодня обе фирмы прекратили выпуск материнских
плат. Из российских производителей материнских плат можно упомянуть
только компанию Формоза, которая производила платы, используя
компоненты фирм Lucky Star и Albatron. Из украинских — корпорацию
«Квазар-Микро».[Важный параметр материнской платы- ее форм-фактор.
Именно от него зависит:
Количество слотов расширения
Слотов оперативной памяти
Интегрированных контроллеров.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный
характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и
опциональные
компоненты.
Однако
подавляющее
большинство
производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой
соответствия
существующим
стандартам
является
совместимость
материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт
расширения) других производителей.
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и
PicoBTX
Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из
существующих форм-факторов (см. таблицу). Обычно это обусловлено либо
тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием
производителя материнской платы самостоятельно производить и
периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования
стандартных компонентов (так называемый «бренд», например Apple
Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett Packard, Compaq чаще других
игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый
рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие
производители уже создали собственные платформы)
Как уже упоминалось выше, форм-фактор материнской платы задает не
только ее геометрические размеры, но и количество слотов расширения.
Например, один PCI Express и шесть PCI-слотов могут быть размещены
только на платах формата АТХ или Extended ATX. На платах меньшего
размера количество слотов будет другим (четыре у micro-ATX и три у flexАТХ). Часто один-два PCI-слота заменяются одним или двумя слотами PCI
Express.
Формфактор
XT
AT
Baby-AT
ATX
Физические
Спецификация,
Примечание
размеры
год
8,5 × 11" (216 × 279
IBM, 1983
архитектура IBM PC XT
мм)
12 × 11"–13" (305 ×
архитектура IBM PC AT
IBM, 1984
279–330 мм)
(Desktop/Tower)
архитектура IBM PC XT (форм8,5" × 10"–13" (216
IBM, 1990
фактор считается недействительным с
× 254-330 мм)
1996 г.)
12" × 9,6" (305 ×
Intel, 1995
для системных блоков типов
244 мм)
Intel, 1999
ATX Riser
12" × 13" (305 × 330
мм)
11,2" × 8,2" (284 ×
Mini-ATX
208 мм)
MiniTower, FullTower
для cистемных блоков типа Slim
eATX
microATX
9,6" × 9,6" (244 ×
244 мм)
9" × 11"–13" (229 ×
279–330 мм)
8"–9" × 10"–11"
Mini-LPX (203–229 мм × 254–
279 мм)
8"–9" × 10"-13,6"
(203–229 мм × 254–
NLX
345 мм)
9,6" × 7,5"-9.6" (244
FlexATX
× ?-244 мм)
14" × 16,75" (355,6
WTX
× 425,4 мм)
6,7" × 6,7" (170 ×
Mini-ITX
170 мм)
LPX
Intel, 1997
для системных блоков типа Tower и
компактных Desktop
Имеет меньше слотов, чем ATX,
также возможно использование
меньшего PSU
Western Digital,
1987
для системных блоков типа Slim
Western Digital,
1987
для системных блоков типа Slim
Intel, 1997
предусмотрен AGP, лучшее
охлаждение чем у LPX
разработан как замена для формфактора MicroATX
для высокопроизводительных рабочих
1999
станций и серверов среднего уровня
VIA Technologies, допускаются только 100 Вт блоки
2003
питания
VIA Technologies,
Nano-ITX (120 × 120 мм)
2004
12,8" × 10,5" (325 ×
допускается до 7 слотов и 10
Intel, 2004
BTX
267 мм)
отверстий для монтажа платы
10,4" × 10,5" (264 ×
допускается до 4 слотов и 7 отверстий
Intel, 2004
MicroBTX
267 мм)
для монтажа платы
8,0" × 10,5" (203 ×
допускается 1 слот и 4 отверстия для
Intel, 2004
PicoBTX
267 мм)
монтажа платы
ETX и PCиспользуются для встраиваемых
(embedded) систем
104
12" × 10,5" (305 ×
для высокопроизводительных рабочих
2005
CEB
267 мм)
станций и серверов среднего уровня
3,9" × 2,7" (100 х 72
используются в ультракомпактных
VIA, 2007
Pico-ITX
мм)
встраиваемых системах
Intel, 1999
Форм-фактор AT и АТХ
Задняя стенка корпуса компьютера форм-фактора AT: а - общий вид; б - разъем для
клавиатуры
В 1996 г. корпорация Intel предложила форм-фактор АТХ, который является
серьезно модернизированным форм-фактором AT. Глубокой переработке подверглась
системная плата, на которой были перегруппированы все основные элементы. В
частности, процессор передвинут в зону действия вентилятора блока питания, что, как
считалось, улучшит охлаждение процессора (оказалось, что это справедливо только для
маломощных процессоров!). На системную плату штатно стали монтировать с десяток
интерфейсных разъемов, которые ранее монтировались отдельно на корпусе компьютера.
Блок питания ATX, кроме стандартных для AT напряжений и сигналов, обеспечивает
также напряжение 3.3 В и имеет возможность включения и отключения основного
питания по сигналу с платы, которая имеет для этого программный интерфейс. Имеется
также отдельная линия слаботочного питания 5 В, напряжение на которой
поддерживается постоянно и используется в цепях управления основным питанием для
отслеживания внешних сигналов запуска по сети, модему и т.п.
Для соединения блока питания с платой используется единый 20-контактный разъем
( см. рис ). В стандарте ATX оговорен также необязательный разъем, через который с
блока питания на плату подается информация о частоте вращения вентилятора, а с платы
в блок питания - сигнал управления вентилятором и контрольный уровень напряжения 3.3
В для более точной его стабилизации.
Наружные интерфейсные разъемы располагаются в области верхнего правого угла
платы и могут устанавливаться друг над другом. Для разъемов расширения отведена левая
половина платы (до семи разъемов); за счет вынесения процессора на правую сторону
ограничения на длину устанавливаемых плат отсутствуют. Разъемы для модулей памяти
расположены посередине, а интерфейсные разъемы дисков - в правом нижнем углу, в
непосредственной близости от самих дисков.
24-контактный
разъем
питания
материнской
(20-контактный не имеет последних четырёх: 11, 12, 23 и 24)
Цвет
Сигнал
Контакт
Контакт
Оранжевый
+3.3 V
1
платы
13
ATX12V
Сигнал
+3.3 V
+3.3 V
Цвет
Оранжевый
−12 V
Земля
Power
Синий
Чёрный
Чёрный
Чёрный
Чёрный
sense
Коричневый
Оранжевый
Чёрный
+3.3 V
Земля
2
3
14
15
Красный
+5 V
4
16
Чёрный
Красный
Чёрный
Земля
+5 V
Земля
Power
5
6
7
17
18
19
Земля
Земля
Земля
8
20
Не подключен
9
21
+5 V
Красный
10
11
22
23
+5 V
+5 V
Красный
Красный
12
24
Земля
Серый
good
+5 V
Фиолетовый
standby
Жёлтый
+12 V
Жёлтый
+12 V
Orange
+3.3 V
2.x
on
Зелёный
Форм-фактор или типоразмер системной платы определяет ее размеры, тип разъема
питания, расположение элементов крепления (отверстий, клипсов), размещение разъемов
различных интерфейсов и т. д. Требования к максимальным размерам системных плат
приведены ниже.
Наименование
Ширина, мм
Глубина, мм
АТХ
305
244
Mini АТХ
284
208
Micro АТХ
244
244
Flex АТХ
229
191
АТ
305
330
Baby АТ
216
330
NLX
229
345
LPX
229
330
Mini LPX
229
279
Front Side Bus (FSB)
Front Side Bus (FSB) — шина, обеспечивающая соединение между x86совместимым центральным процессором и внутренними устройствами.
Как правило, современный персональный компьютер на базе x86совместимого
микропроцессора
устроен
следующим
образом:
микропроцессор через FSB подключается к системному контроллеру,
который обычно называют «северным мостом», (англ. Northbridge).
Системный контроллер имеет в своём составе контроллер ОЗУ (в некоторых
современных персональных компьютерах контроллер ОЗУ встроен в
микропроцессор), а также контроллеры шин, к которым подключаются
периферийные устройства. Получил распространение подход, при котором к
северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные
устройства, например, видеокарты с шиной PCI Express 16x, а менее
производительные устройства (микросхема BIOSа, устройства с шиной PCI)
подключаются к т. н. «южному мосту» (англ. Southbridge), который
соединяется с северным мостом специальной шиной. Набор из «южного» и
«северного» мостов называют набором системной логики, но чаще
применяется калька с английского языка «чипсет» (англ. chipset).
Таким образом, FSB работает в качестве магистрального канала между
процессором и чипсетом.
Некоторые компьютеры имеют внешнюю кэш-память, подключенную
через «заднюю» шину (англ. back side bus), которая быстрее, чем FSB, но
работает только со специфичными устройствами.
Каждая из вторичных шин работает на своей частоте (которая может
быть как выше, так и ниже частоты FSB). Иногда частота вторичной шины
является производной от частоты FSB, иногда задаётся независимо.
Процессорная шина
Две составляющие чипсета для “старых” процессоров получили
название “северный мост” (он же Host Bridge) и “южный мост” (PCI-to-ISA
Bridge). Северный мост непосредственно соединен с процессором
специальной шиной, которая называется системной (FSB – Front Side Bus).
FSB имеет ширину 64 бит (или 8 байт). У Intel эта шина называется GTL+
(AGTL+), у AMD – EV6.
Частота шины FSB – это именно та частота, которая умножается на
коэффициент умножения процессора и определяет его рабочую частоту. Так,
номинальная частота FSB для процессоров Celeron была– 66 МГц, для
Pentium III была – 100 или 133 МГц, для процессоров AMD (Athlon, Duron)
была– 100, 133, 166 или 200 МГц (но поскольку спецификация EV6
предусматривает передачу данных по фронту и спаду синхроимпульса, то
эффективная частота в этом случае получается 200, 266, 333 или 400 МГц).
Таким образом, пропускная способность шины FSB EV6 была в два раза
выше шин GTL+ и AGTL+. Это сокращает время простоя процессора,
ожидающего освобождения шины, осуществляющей передачу данных на
удвоенной частоте, для осуществления нового цикла чтение/записи. Кроме
того, повышение скорости передачи данных через процессорную шину
способствовало более эффективной работе подсистемы оперативной памяти.
Начиная с процессора Pentium 4 внедрился новый стандарт шины FSB. Шина
процессора при тактовой частоте 100, 133, 200,266,333 МГц осуществляет
передачу данных с частотой 400, 533, 800 МГц (QPB (Quad Pumped Bus),
передающую данные 4 раза за цикл. Quad-pumped – 4X). Такая организация
передачи увеличивает пропускную способность шины до 8533 МБ/с в отличие
от 1,06 Гбайт/с шины стандарта AGTL+ с рабочей частотой 133 МГц.
(FSB – QPB, или Quad-Pumped Bus, способна передавать четыре блока
данных за такт и два адреса за такт! То есть за каждый такт синхронизации
шины по ней может быть передана команда либо четыре порции данных
(напомним, что шина FSB–QPB имеет ширину 64 бит, то есть за такт может
быть передано до 4х64=256 бит, или 32 байт данных). Итого, скажем, для
частоты FSB, равной 200 МГц, эффективная частота передачи адреса для
выборки данных будет эквивалентна 400 МГц (2х200 МГц), а самих данных –
800 МГц (4х200 МГц)
Теоретиче
час
Процессор
Тип FSB ская пропускная
тота FSB
способность
66 /
533 / 800
Pentium II
GTL+
100 МГц
МБ/с
100
800 / 1066
Pentium III
AGTL+
/ 133 МГц
МБ/с
100
3200
/
Pentium 4
/ 133 /
QPB
4266 / 6400
200 МГц
МБ/с [1]
100
3200
/
Pentium M
QPB
/ 133 МГц
4266 МБ/с [1]
133
4266
/
Pentium D
QPB
/ 200 МГц
6400 МБ/с [1]
200
6400
/
Pentium 4 EE
QPB
/ 266 МГц
8533 МБ/с [1]
133
4266
/
Intel Core
QPB
/ 166 МГц
5333 МБ/с [1]
200
6400
/
/ 266 /
Intel Core 2
QPB
8533 / 10660 /
333 / 400
12800 МБ/с [1]
МГц
Xeon — ядро
100
800 / 1066
GTL+
P6
/ 133 МГц
МБ/с
100
3200
/
Xeon — ядро
/ 133 /
QPB
4266 / 5333 /
NetBurst
166 / 200
6400 / 8533 /
/ 266 /
10660 МБ/с [1]
333 МГц
266
8533
/
Xeon — ядро
/ 333 /
QPB
10660 / 12800
Penryn
400 МГц
МБ/с [1]
100
1600
/
Athlon
EV6
/ 133 МГц
2133 МБ/с [2]
133
2133
/
Athlon XP
/ 166 /
EV6
2666 / 3200
200 МГц
МБ/с [2]
Почти
все
800
AMD K8
HyperTra
6400
/
/
1000
Athlon
nsport v1
8000 МБ/с [2]
МГц
64/FX/Opteron
Новое
поколение
AMD
160
12800
/
K8 и все K10
HyperTra
0 / 1800 /
14400 / 16000
Turion
64
nsport v3
2000 МГц
МБ/с [2]
X2/Phenom/Phenom
II
900
7200
/
PowerPC 970 / 1000 /
—
8000 / 10000
1250 МГц
МБ/с
Direct Media Interface, сокр. DMI — последовательная шина
разработанная Intel для подсоединения южного моста материнской платы (ICH) к
северному мосту (MCH или GMCH). В материнских платах для процессоров с
разъемом LGA 1156 (то есть для Core i3, Core i5 и некоторых серий Core i7[1] и
Xeon) и со встроенным контроллером памяти, DMI используется для
подсоединения чипсета (PCH) непосредственно к процессору[2]. (Процессоры
серии Core i7 для LGA 1366 подсоединяется к чипсету через шину QPI[3].)
Первыми чипсетами с DMI было семейство Intel 915, выпущенное в
2004 году[4].
DMI является проприетарной технологией Intel. В 2009 году Intel
отказалась лицензировать шину DMI фирме Nvidia. Поскольку поддержка
DMI встроена в процессоры с ядром Nehalem для разъема LGA 1156 и
используется для подсоединения к чипсету, Nvidia фактически потеряла
право производить чипсеты для большей части новых процессоров Intel [
Intel QuickPath Interconnect, "QuickPath" (ранее Common System
Interface, CSI) — стандарт на процессорную шину типа точка-точка для связи
процессоров, разработанный фирмой Intel. Данный интерфейс создавался в
ответ на разработанный ранее консорциумом во главе с фирмой AMD
интерфейс HyperTransport.
Интерфейс QuickPath заменил применяющуюся ранее в процессорах
Xeon, Itanium 2, Pentium 4, Core 2 шину Front Side Bus. Первые процессоры с
интерфейсом QuickPath были выпущены на рынок в 2008 году; ими стали
процессоры с архитектурой Nehalem.
Производительность интерфейса составляет от 4.8 до 6.4 миллиарда
пересылок в секунду, т.е. от 24 до 32 гигабайт в секунду на каждое
соединение.
Back side bus (BSB) — шина кэш-памяти второго уровня в процессорах
с двойной независимой шиной (англ. DIB - Dual Independed Bus).
Для связи с контроллером памяти предназначена FSB (Front side bus),
работающая в качестве магистрального канала между процессором и
чипсетом.
Процессор
Ядро
Шина
кэш-памяти
Кэш-память
L2
Шина
процессора
Чипсет
микросхема Шина памяти Оперативная
North Bridge
память
Приведм пропускные способности различных интерфейсов передачи
данных, применяемых в компьютерной технике. Для обозначения
пропускной способности интерфейса иногда могут использоваться термины
ёмкость канала или производительность.
Традиционно, пропускная способность «параллельных интерфейсов»
(для передачи данных используется группа сигналов, число которых обычно
кратно 8, называемых линиями данных и выделенного сигнала — тактового
сигнала; при возникновении определённого состояния на линии тактового
сигнала получатель узнаёт, что состояния линий данных установились и
данные могут быть считаны) измеряется в байтах в секунду; в то время как
пропускная способность «последовательных интерфейсов» (при реализации
интерфейса не используются специальные тактовые сигналы) измеряется в
битах в секунду. В данном документе для каждого интерфейса величина
пропускной способности приводится как в байтах в секунду так и в битах в
секунду, но наиболее употребительные единицы выделены жирным
шрифтом.
Интерфейсы в списке сгруппированы по функциональному признаку и
в рамках группы перечислены начиная от менее производительных к более
производительным.
Для каждого интерфейса в списке приводится пиковая пропускная
способность — теоретическая максимальная пропускная способность; в
реальных условиях производительность интерфейса как правило окажется
значительно ниже, нежели та, что приведена в таблице.
Максимальные скорости передачи информации через интерфейсы
персонального компьютера
Расчет максимальной пропускной способности системных шин на материнской плате ПК
Процессорная
66 МГц  64 бит = 4224 Мбит/с
хост-шина
4224 Мбит/с : 8 = 528 Мбайт/с
(для fFSB = 66МГц)
8 МГц  16 бит = 128 Мбит/с
ISA
128 Мбит/с : 2 цикла = 64 Мбит/с
64 Мбит/с : 8 = 8 Мбайт/с
33 МГц  32 бит = 1056 Мбит/с
PCI
1056 Мбит/с : 8 = 132 Мбайт/с
66,6 МГц  32 бит = 2131 Мбит/с
2131 Мбайт/с : 8 = 266 Мбайт/с
266 Мбайт/с  2 блока ≈ 533 Мбайт/с (если AGP 2x)
AGP
266 Мбайт/с  4 блока ≈ 1066 Мбайт/с (если AGP 4x)
266 Мбайт/с  8 блоков ≈ 2133 Мбайт/с (если AGP 8x)
ISA-8 bit
Шина
Год выпуска
Разрядность
данных
Разрядность
адреса
Такт.
Частота,МГц
Макс.
Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во
устр-в
Кол-во сигналов
ISA
1984
8
Расчёт
Макс.
Скор.
,Мбайт/с
20
8 бит/8*
*4.77
МГц=
=4.77
Мбайт/с
8
4.77
6
62
ISA-16 bit
Шина
Год выпуска
Разрядность
данных
Разрядность
адреса
Такт.
Частота,МГц
Макс.
Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во
устр-в
Кол-во сигналов
ISA Расчёт
1984 Макс.
16 Скор.
,Мбайт/с
24
8
16
6
98
16 бит/8*
*8 МГц=
=16
Мбайт/с
Шина EISA
Шина
Год выпуска
Разрядность данных
Разрядность адреса
Такт. Частота,МГц
Макс. Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во устр-в
Кол-во сигналов
EISA
1989
32
32
8
33
15
188
Шина MCA
Расчёт Макс. Скор.
,Мбайт/с
32 бит/8* 8 МГц=
=32 Мбайт/с
Шина
Год выпуска
Разрядность данных
Разрядность адреса
Такт. Частота,МГц
Макс. Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во устр-в
Кол-во сигналов
MCA
1987
32/64
32
10
20/40
16
178
Расчёт Макс. Скор.
,Мбайт/с
32 бит/8* 10 МГц=
=16 Мбайт/с
Шина VLB
Шина
Год выпуска
Разрядность данных
Разрядность адреса
Такт. Частота,МГц
Макс. Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во устр-в
Кол-во сигналов
VLB
1987
32
32
<33
130
2-3
112
Расчёт Макс. Скор.
,Мбайт/с
32 бит/8* 33 МГц=
=132 Мбайт/с
Шина PCI
Шина
Год выпуска
Разрядность данных
Разрядность адреса
Такт. Частота,МГц
Макс. Скор.,Мбайт/с
Макс.кол-во устр-в
Кол-во сигналов
PCI
Расчёт Макс. Скор.
,Мбайт/с
1992
32/64
32
32 бит/8* 33 МГц=
=132 Мбайт/с ;
33,66
132/264,520 64 бит/8* 33 МГц=
=264 Мбайт/с ;
10
64 бит/8* 66МГц=528
124/188
Мбайт/с
История PCI
В 1991 году Intel предлагает базовую версию (1.0) проекта стандарта
шины PCI (Peripheral Component Interconnect — Соединение Периферийных
Компонент). PCI призвана заменить ISA (а позже и ее не очень удачную и
дорогую серверную расширенную модификацию EISA). Кроме значительно
возросшей пропускной способности, новую шину характеризует
возможность динамической конфигурации выделяемых присоединенным
устройствам ресурсов (прерываний).
В 1993 году PCI Special Interest Group (PCISIG, Специальная Группа
Интересов PCI, http://www.pcisig.com/ — организация, взявшая на себя заботу
о разработке и принятии различных стандартов имеющих отношение к PCI)
публикует обновленную 2.0 ревизию стандарта ставшую основой для
широкой экспансии PCI (и различных ее модификаций) в индустрии
информационных технологий. В деятельности PCISIG принимают участие
многие известные компании, включая родоначальника PCI — корпорацию
Intel, подарившую индустрии множество долгоиграющих, исторически
успешных стандартов. Итак, базовая версия PCI (IEEE P1386.1):
Тактовая частота шины 33 МГц, используется синхронная передача
данных;
Пиковая пропускная способность 133 МБ в секунду;
Параллельная шина данных шириною 32-бита;
Адресное пространство 32-бита (4 ГБ);
Сигнальный уровень 3.3 или 5 вольт.
Позже появляются следующие ключевые модификации шины:
PCI 2.2 — допускается 64-бит ширина шины и/или тактовая частота 66
МГц, т.е. пиковая пропускная способность до 533 МБ/сек.;
PCI-X, 64-бит версия PCI 2.2 с увеличенной до 133 МГц частотой
(пиковая пропускная полоса 1066 МБ/сек.);
PCI-X 266 (PCI-X DDR), DDR версия PCI-X (эффективная частота 266
МГц, реальная 133 МГц с передачей по обоим фронтам тактового сигнала,
пиковая пропускная полоса 2.1 ГБ/сек);
PCI-X 533 (PCI-X QDR), QDR версия PCI-X (эффективная частота 533
МГц, пиковая пропускная полоса 4.3 ГБ/сек.);
Mini PCI — PCI с разъемом в стиле SO-DIMM, применяется
преимущественно для миниатюрных сетевых, модемных и прочих карточек в
ноутбуках;
Compact PCI — стандарт на форм фактор (модули вставляются с торца
в шкаф с общей шиной на задней плоскости) и разъем, предназначенные в
первую очередь для промышленных компьютеров и других критических
применений;
Accelerated Graphics Port (AGP) — высокоскоростная версия PCI
оптимизированная для графических ускорителей. Отсутствует арбитраж
шины (т.е. допустимо только одно устройство, за исключением последней,
3.0 версии стандарта AGP, где устройств и слотов может быть два). Передачи
в сторону ускорителя оптимизированы, есть набор специальных
дополнительных возможностей специфических для графики. Впервые данная
шина появилась вместе с первыми системными наборами для процессора
Pentium II. Существует три базовых версии протокола AGP, дополнительная
спецификация на питание (AGP Pro) и 4 скорости передачи данных — от 1х
(266 МБ/сек) до 8х (2ГБ/сек), в том числе допустим сигнальные уровни 1.5,
1.0 и 0.8 вольт.
Упомянем также CARDBUS — 32 разрядную версию шины для
PCMCIA карт, с горячим подключением и некоторыми дополнительными
возможностями, тем не менее, имеющую много общего с базовой версией
PCI.
Как мы видим, основное развитие шины PCI идет по следующим
направлениям:
Создание специализированных модификаций (AGP);
Создание специализированных форм факторов (Mini PCI, Compact PCI,
CARDBUS);
Увеличение разрядности;
Увеличение тактовой частоты и применение DDR/QDR схем передачи
данных.
Все это вполне логично, учитывая огромный срок жизни подобного
всеобщего стандарта. Причем, пункты 1 и 2 не ставят своей целью
сохранение совместимости с базовыми PCI картами, а вот пункты 3 и 4
выполняются за счет увеличения оригинального PCI разъема, и допускают
установку обычных 32х разрядных PCI карт. Справедливости ради, отметим,
что в ходе эволюции шины случались и сознательные потери совместимости
со старыми картами, даже для базового варианта разъема PCI — например, в
спецификации 2.3 исчезло упоминание о поддержке 5 вольт сигнального
уровня и питающего напряжения. В результате, серверные платы
снабженные этой модификацией шины могут пострадать при установке в них
старых, пятивольтовых карт, хотя, с точки зрения геометрии разъема, эти
карты к ним подходят.
Однако, как и любая другая технология (например, архитектуры
процессорных ядер), шинная технология имеет свои разумные границы
масштабирования, при приближении к которым увеличение пропускной
полосы дается все большей и большей ценою. Возросшая тактовая частота
требует более дорогостоящей разводки и накладывает существенные
ограничения на длину сигнальных линий, увеличение разрядности или
использование DDR решений также влечет за собою множество проблем,
которые в итоге банально выливаются в рост стоимости. И если в серверном
сегменте, решения подобные PCI-X 266/533 еще будут некоторое время
экономически оправданными, то в потребительских PC мы их не увидели, и
не увидим. Почему? Очевидно, что в идеале пропускная способность шин
должна расти синхронно с ростом производительности процессора, при этом
цена реализации должна не только сохраняться прежней, но и в идеале
снижаться. На данный момент это возможно только при использовании
новой шинной технологии. О них мы сегодня и поговорим:
Эпоха последовательных шин
Преимущества последовательных шин и интерфейсов:
1.
Выгодный перенос все большей части практической реализации
шины на кремний, что облегчает отладку, повышает гибкость и
сокращает время разработки;
2.
Перспектива органично использовать в будущем иные носители
сигнала, например оптические;
3.
Экономия
пространства
(не
бьющая
по
карману
миниатюризация) и снижение сложности монтажа;
4.
Проще реализовывать горячие подключения и динамическую
конфигурацию в любом смысле;
5.
Возможность выделять гарантированные и изохронные каналы;
6.
Переход от разделяемых шин с арбитражем и непредсказуемыми
прерываниями, неудобными для надежных/критических систем к более
предсказуемым соединениям точка-точка;
7.
Лучшая с точки зрения затрат и более гибкая с точки зрения
топологии масштабируемость;
Семейство последовательных интерфейсов PCI Express
PCI Express Имя — PCI Express, на стадии проектирования была также известна
как 3GIO ((Third Generation Input/Output Interconnection, 3GIO Ввод-вывод
третьего поколения) или по кодовому имени рабочей группы и проекта
«Arapahoe», причем оба названия (3GIO и PCI Express) являются
зарегистрированными торговыми марками PCISIG;

Дата рождения — 22 июля 2002 года — опубликована базовая
спецификация протокола и сигнального уровня, а также базовая спецификация
на форм-фактор и энергопотребление карт и разъемы;

Фактически
—
совокупность
независимых
самостоятельных
последовательных каналов передачи данных;

Сигнальный уровень 0.8 вольт. Каждый канал состоит из двух
дифференциальных сигнальных пар (необходимо только 4 контакта):
Интерфейс PCI Express (первоначальное название - 3GIO5) использует
концепцию PCI, однако физическая их реализация кардинально
отличается. На физическом уровне PCI Express представляет собой не
шину, а некое подобие сетевого взаимодействия на основе
последовательного протокола. Высокое быстродействие PCI Express
позволяет отказаться от других системных интерфейсов (AGP, PCI), что
дает возможность также отказаться от деления системного чипсета на
северный и южный мосты в пользу единого контроллера PCI Express.
Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express,
позволяющая существенно повысить производительность системы, использование топологии "звезда". В топологии "шина" (рис. 14.5а)
устройствам приходится разделять пропускную способность PCI между
собой. При топологии "звезда" (рис. 14.5б) каждое устройство монопольно
использует канал, связывающий его с концентратором (switch) PCI Express,
не деля ни с кем пропускную способность этого канала.
Рис. 14.5. Сравнение топологий PCI и PCI Express
Канал (link), связывающий устройство с концентратором PCI Express,
представляет
собой
совокупность
дуплексных
последовательных
(однобитных) линий связи, называемых полосами (lane). Дуплексный
характер полос также контрастирует с архитектурой PCI, в которой шина
данных - полудуплексная (в один момент времени передача выполняется
только в определенном направлении). На электрическом уровне каждая
полоса соответствует двум парам проводников с дифференциальным
кодированием сигналов. Одна пара используется для приема, другая - для
передачи. PCI Express первого поколения декларирует скорость передачи
одной полосы 2,5 Гбит/с в каждом направлении. В будущем планируется
увеличить скорость до 5 и 10 Гбит/с.
Канал может состоять из нескольких полос: одной (x1 link), двух (x2
link), четырех (x4 link), восьми (x8 link), шестнадцати (x16 link) или тридцати
двух (x32 link). Все устройства должны поддерживать работу с
однополосным каналом. Аналогично, различают слоты: x1, x2, x4, x8, x16,
x32. Однако слот может быть "шире", чем подведенный к нему канал, т.е. на
слот x16 фактически может быть выведен канал x8 link и т.п. Карта PCI
Express должна физически подходить и корректно работать в слоте, который
по размерам не меньше разъема на карте, т.е. карта x4 будет работать в
слотах x4, x8, x16, даже если реально к ним подведен однополосный канал.
Процедура согласования канала PCI Express обеспечивает выбор
максимального количества полос, поддерживаемого обеими сторонами.
При передаче данных по многополосным каналам используется принцип
чередования или "разборки данных" (data stripping): каждый последующий
байт передается по другой полосе. В случае канала x2 это означает, что все
четные байты передаются по одной полосе, а нечетные - по другой.
Как и большинство других высокоскоростных последовательных
протоколов, PCI Express использует схему кодирования данных,
встраивающую тактирующий сигнал в закодированные данные, т.е.
обеспечивающую самосинхронизацию. Применяемый в PCI Express
алгоритм 8B / 10B (8 бит в 10 бит) обеспечивает разбиение длинных
последовательностей нулей или единиц так, чтобы приемная сторона не
потеряла границы битов. С учетом кодирования 8B/10B пропускную
способность однополосного канала PCI Express можно оценить, как 2500
Мбит/с / 10 бит/байт = 250 мегабайт/с (238 Мбайт/с).
PCI Express обеспечивает передачу управляющих сообщений, в том
числе прерываний, по тем же линиям данных. Последовательный протокол
не предусматривает блокирование, поэтому легко обеспечивается
латентность, сопоставимая с PCI, где имеются выделенные линии для
прерываний.
Пожалуй, наиболее перспективно и представляет существенный интерес
семейство последовательных интерфейсов PCI Express, информация о
базовом протоколе которого появилась в июле 2002 года. PCI Express
использует совокупность независимых последовательных каналов передачи
данных. Поскольку при передаче используется помехозащищенное
кодирование, каждый байт представляется 10 битами. Пропускная
способность одного канала 200 Мбайт/с. Лицензированы 1-, 2-, 4-, 8-, 16- и
32-каналь-ные версии (до 16 Гбайт/с). В режиме дуплексной передачи все эти
цифры пропускной способности удваиваются.
Простейшая системная топология с интерфейсом PCI Express показана
на рис.
Рис. ХХХ. Простейшая системная топология с интерфейсом PCI Express
Следует отметить, что использование интерфейсов PCI Express
возможно только при подключении шин PCI Express х 16 и х 32 к северному
порту системного чипсета, а шин PCI Express х 1 к южному. У интерфейсов
PCI Express в каждой линии два канала: прямой и обратный для обеспечения
дуплексной передачи. В каждом канале — два подканала для передачи
прямого и инверсного кодов для контроля достоверности информации
Характеристики шин семейства PCI
Версия
Разрядность
шины, бит
PCI 1.0
PCI 2.1
PCI 2.2
PCI X 1.0
PCI X DDR
PCI X QDR
PCI Express x 1
PCI Express x2
PCI Express x4
PCI Express x8
PCI Express x 16
PCI Express x32
PCI Express 2.0 x 1
32
32
64
64
64
64
8
8, 2 линии
8,4 линии
8,8 линий
8,16 линий
8, 32 линии
8
Рабочая частота, Скорость
МГц
передачи,
33
132
Мбайт/с*
66
133
133
133
133
2500
2500
2500
2500
2500
2500
5000
266
532
1066
2100
4200
266
532
1066
2132
4200
8400
500
С
Расчет пропускной способности шин ПК шина PCI-express в
байтах
PPCIe 
2,5  0,8  N
8
где 2,5 — пропускная способность одного
lane(соединение типа точка-точка), Гбит/с;
0,8 — коэффициент, учитывающий использование
кода 8В/10В; о
1/8— коэффициент для перевода Гбит/с в ГБ/с.

Используется избыточное защищенное от помех кодирование — каждый
байт при передаче представляется десятью битами;

Пропускная способность 2.5 Гигабита (250 МБ) в секунду для одного
канала в каждом направлении одновременно (полный дуплекс), однако, следует
учесть, что эффективная скорость передачи данных за вычетом избыточного
кодирования составляет 2 Гигабита (200 МБ) ровно;

Стандартизированы 1, 2, 4, 8, 16 и 32 канальные варианты (до 6.4
эффективных Гигабайт в секунду соответственно, при передаче в одну сторону и
вдвое больше при передаче в обоих направлениях). При передаче данных они
передаются параллельно (но не синхронно) по всем доступным каналам:

Вся контрольная информация передается по тем же линиям что и данные,
используется стек протоколов, из нескольких уровней, включая маршрутизацию
данных:

Стандарт предусматривает и альтернативные носители сигнала, такие как
оптические волноводы;

Возможность динамического подключения и конфигурации устройств;

Возможность
распознавания
(улучшенных) протоколов обмена.
и
использования
альтернативных
PCI Express — ключевые отличия
Подробнее остановимся на ключевых отличиях PCI Express от PCI:
1.
Как уже неоднократно упоминалось — новая шина последовательна, а не
параллельна. Основные преимущества — снижение стоимости, миниатюризация,
лучшее масштабирование, более выгодные электрические и частотные
параметры (нет необходимости синхронизировать все сигнальные линии);
2.
Спецификация разделена на целый стек протоколов, каждый уровень
которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен не сказываясь на
остальных. Например — может быть использован иной носитель сигнала или
может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для
одного устройства. Могут быть добавлены дополнительные контрольные
возможности. Развитие такой шины будет происходить гораздо менее
болезненно — увеличение пропускной способности не потребует изменять
контрольный протокол и наоборот. Быстро и удобно разрабатывать
адаптированные варианты специального назначения;
3.
В изначальной спецификации заложены возможности горячей замены
карт;
4.
В
изначальной
спецификации
заложены
возможности
создания
виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика,
сбора статистики QoS (Quality of Service — Качество Обслуживания);
5.
В
изначальной
спецификации
заложены
возможности
контроля
целостности передаваемых данных (CRC);
6.
В изначальной спецификации заложены возможности управления
питанием.
Итак, более широкие диапазоны применимости, более удобное масштабирование и
адаптация, богатый набор изначально заложенных возможностей. Все так хорошо, что
просто не верится. Впрочем, в отношении этой шины, даже заядлые пессимисты
высказываются скорее положительно, чем отрицательно. И это не удивительно —
кандидат на десятилетний трон общего стандарта для большого числа различных
применений (начиная с мобильных и встраиваемых и заканчивая серверами
«Энтерпрайз» класса или критическими применениями) просто обязан выглядеть
безупречным со всех сторон, хотя бы на бумаге :-). Как оно будет в деле — мы скоро
увидим сами.
Самый простой вариант перехода на PCI-Express для стандартных по архитектуре
настольных систем выглядит так:
Однако в будущем логично ожидать появление некоего разветвителя PCI Express. Тогда
вполне оправданным станет и объединение северного и южного мостов. Приведем
примеры возможных системных топологий. Классический PC с двумя мостами:
Более обобщенная (серверная) архитектура с одним мостом:
Мощный сервер:
Производительный сетевой раутер:
Высокоскоростные шины HyperTransport
В архитектуре же AMD64 (и её микроархитектуре K8), используемой компанией AMD в
своих процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применён революционно новый
подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь имеет место наличие в
самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна (или две – в случае двухканального
контроллера памяти) шина служит для непосредственной связи процессора с памятью, а
вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются
высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы является
уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти,
ведь из пути следования данных по маршруту «процессор – ОЗУ» (и обратно)
исключаются такие весьма загруженные элементы, как интерфейсная шина и контроллер
северного моста.
Различия реализации классической архитектуры и АМD-K8
Ещё одним довольно заметным отличием архитектуры К8 является отказ от
асинхронности, то есть обеспечение синхронной работы процессорного ядра, ОЗУ и шины
HyperTransport, частоты которых привязаны к «шине» тактового генератора (НТТ),
которая в этом случае является опорной. Таким образом, для процессора архитектуры К8
частоты ядра и шины HyperTransport задаются множителями по отношению к НТТ, а
частота шины памяти выставляется делителем от частоты ядра процессора4
В классической же схеме с шиной FSB и контроллером памяти, вынесенным в северный
мост, возможна (и используется) асинхронность шин FSB и ОЗУ, а опорной частотой для
процессора выступает частота тактирования5 (а не передачи данных) шины FSB, частота
же тактирования шины памяти может задаваться отдельно. Из наиболее свежих чипсетов
возможностью раздельного задания частот FSB и памяти обладает NVIDIA nForce 680i
SLI, что делает его отличным выбором для тонкой настройки системы (разгона).
HyperTransport
Эмблема HyperTransport Technology Consortium
HyperTransport – это прежде всего технология, управлением спецификациями и
продвижением которой занимается HyperTransport Technology Consortium, куда входят
такие компании, как Advanced Micro Devices (AMD), Alliance Semiconductor, Apple
Computer, Broadcom Corporation, Cisco Systems, NVIDIA, PMC-Sierra, Sun Microsystems,
Transmeta и ещё более 140 малых и больших компаний.
Основные особенности и возможности, предоставляемые технологией
HyperTransport
Технология HyperTransport (ранее известная как Lightning Data Transport) – это
последовательная (пакетная) связь, построенная по схеме peer-to-peer (точка-точка),
обеспечивающая высокую скорость при низкой латентности (low-latency responses).
HyperTransport имеет оригинальную топологию на основе линков, тоннелей, цепей (цепь –
последовательное объединение нескольких туннелей) и мостов (мост выполняет
маршрутизацию пакетов между отдельными цепями), что позволяет этой архитектуре
легко масштабироваться. Иными словами, HyperTransport призвана упростить
внутрисистемные сообщения (передачи) посредством замены существующего
физического уровня передачи существующих шин и мостов, а также снизить количество
узких мест и задержек. При всех этих достоинствах HyperTransport характеризуется также
малым числом выводов (low pin counts) и низкой стоимостью внедрения. HyperTransport
поддерживает автоматическое определение ширины шины6, допуская ширину от 2 до 32
бит в каждом направлении, использует Double Data Rate, или DDR (данные посылаются
как по переднему, так и по заднему фронтам сигнала синхронизации), кроме того, она
позволяет передавать асимметричные потоки данных к периферийным устройствам и от
них.
Топология шины HyperTransport
На данный момент консорциумом HyperTransport разработана уже третья версия
спецификации, согласно которой шина HyperTransport может работать на частотах до 2,6
ГГц (сравните с шиной PCI и её 33 или 66 МГц). Это позволяет передавать до 5200
миллионов пакетов в секунду при частоте сигнала синхронизации 2,6 ГГц; частота
сигнала синхронизации настраивается автоматически.
Полноразмерная (32-битная) полноскоростная (2,6 ГГц) шина способна обеспечить
пропускную способность до 20800 МБ/с (2*(32/8)*2600) в каждую сторону, являясь на
сегодняшний день самой быстрой шиной среди себе подобных.
Самые известные решения c использованием HyperTransport:





шина, созданная по технологии HyperTransport, является основной шиной,
используемой в процессорах восьмого поколения компании AMD – Athlon 64 и
Opteron, а также внутри поддерживающих их устройств: концентратора вводавывода (I/O hub) AMD-8111, AMD-8131 PCI-X tunnel и AMD-8151 AGP 3.0 graphics
tunnel
SiPackets предлагает мост между HyperTransport и PCI (HyperTransport-to-PCI
bridge)7
соединение между северным и южным мостами в чипсетах NVIDIA nForce (nForcenForce 6)
платформенная архитектура обработки данных NVIDIA (NVIDIA nForce Platform
Processing Architecture), включающая встроенный графический процессор NVIDIA
(NVIDIA nForce Integrated Graphics Processor (IGP) и процессор передачи данных
NVIDIA (NVIDIA nForce Media and Communications Processor (MCP)
соединение между мостами в чипсете ATI Radeon® Xpress 200 для процессоров
AMD



консольный чипсет игровой приставки Xbox фирмы Microsoft (Microsoft Xbox)
системный контроллер ServerWorks HT-2000 HyperTransport™ SystemI/O™
Controller
компьютеры фирмы Apple с процессором PowerPC G5
Увеличить
Системная (systemboard,SB) или материнская (matheroard, MB) плата
является главной составной частью ПК. Основное назначение системной
платы — соединение всех узлов компьютера в одно устройство.
Чипсет (chipset)
История
Первые чипсеты в современном понимании этого термина появились в
середине 1980-х. Первопроходцами стали разработчики компьютеров серии
Amiga с чипсетом OCS (позже его сменил ECS и AGA). Немногим позже
компания Chips & Technologies предложила чипсет CS8220 (основной чип
82C206) для IBM PC/AT-совместимых систем. Примерно тогда же появились
компьютеры серии Atari ST, так же созданные с использованием чипсета.
На развитие отечественной вычислительной техники, при существующих
самобытных школах (Глушкова, Лебедева, Петрова, Ершова, Абрамова,
Бруснецова, Каляева, Шура-Бура и др), существенное влияние оказали
успешные разработки зарубежной микроэлектроники, в первую очередь
американской. Специфика использования вычислительной техники в СССР и
её разработки сыграли свою роль и в разработки отечественных «чипсетов»
— ими стали так называемые «наборы микросхем» и «микропроцессорные
комплекты». Учитывая состояние развития технологий на момент распада
СССР, и последующие события в стране, в настоящее время в России
существует заметный перевес теоретических разработок над практическими.
Чипсеты современных компьютеров
Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из
двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный
контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH):
контроллер-концентратор
памяти
(англ. Memory
Controller
Hub,
MCH[1][2]) или северный мост (англ. northbridge) — обеспечивает
взаимодействие ЦП с памятью и c видеокартой, использующей шину PCI
Express (а в прошлом, шину AGP). Соединяется с ЦП высокоскоростной
шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например
Opteron, Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть
интегрирован непосредственно в ЦП. В MCH некоторых чипсетах может
интегрироваться графический процессор[3];
контроллер-концентратор ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH[4]) или
южный мост (англ. southbridge) — обеспечивает взаимодействие между ЦП и
жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express,
интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.
Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая
подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за
низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.
Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы.
Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность
северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена
в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного
южного моста, соединенного с процессором через шину DMI[5].
Создание полноценной вычислительной системы для персонального и
домашнего компьютера на базе, состоящих из столь малого количества
микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития
техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура (см.
историю вычислительной техники).
Чипсеты для современных x86-процессоров
В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в
первую очередь заинтересованны фирмы-производители процессоров.
Исходя из этого, ведущими фирмами (Intel и AMD) выпускаются пробные
наборы, специально для производителей материнских плат, так называемые
англ. referance-чипсеты. После обкатки на таких чипсетах, выпускаются
новые серии материнских плат, и по мере продвижения на рынок лицензии (а
учитывая глобализацию мировых производителей, кросс-лицензии)
выдаются разным фирмам-производителям и, иногда, субподрядчикам
производителей материнских плат.
Список основных производителей чипсетов для архитектуры x86:
Intel: (см. Список чипсетов Intel)
NVidia: (см. Список чипсетов NVidia )
ATI/AMD: (см. Список чипсетов ATI, после перекупки в 2006 году ATi
вошла в состав Advanced Micro Devices; также см. Список чипсетов AMD)
Via: (см. Список чипсетов Via)
SiS: (см. Чипсеты SiS)
Слово «чипсет» (chipset) в буквальном переводе означает «набор
микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, —
это одна или чаще две микросхемы (чипы), предназначенные для
организации взаимодействия между процессором, памятью, портами вводавывода и остальными компонентами компьютера. На заре развития
компьютерной техники для организации взаимодействия между отдельными
элементами ПК использовались десятки отдельных микросхем, что, конечно
же, было крайне неудобно. И только с появлением процессора i486
отдельные микросхемы стали объединять в одну-две большие микросхемы,
которые и получили название чипсета ( см. рис. )
С появлением шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть
мостами.
Для двух базовых микросхем современного чипсета, чисто условно,
были придуманы названия South Bridge (южный мост) и North Bridge
(северный мост), которые произошли от местоположения микросхем на блоксхемах: верх— север, низ— юг. Самое любопытное, такие названия
прижились и стали широко использоваться не только специалистами, но и
пользователями.
С точки зрения специализации, на северный мост ложатся функции
обмена между процессором и скоростными устройствами, например,
памятью и шиной PCI Express или AGP. Южный мост предназначен для
работы с низкоскоростными интерфейсами. Для обмена информацией между
северным и южным мостом в современных компьютерах используются
различные типы скоростных шин, которые у каждого разработчика чипсетов
разные, например, для чипсетов VIA — это V-Link, SiS — MuTIOL (Multi
Threaded I/O Link). Ранее связь между мостами осуществлялась через шину
PCI, но скорость передачи данных через нее просто недостаточна для
современных технологий.
В некоторых случаях производители объединяют северный и южный
мосты в одну микросхему. Если чипсет — это всего одна микросхема, то
такое решение называют одночиповым, а если две — двухмостовой схемой.
Северный мост чипсета традиционно содержит контроллер памяти (за
исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD 64, где
контроллер памяти размещен не в системной логике, а непосредственно на
кристалле процессора), контроллер графической шины (AGP или PCI Express
х16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс
взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета
может содержать дополнительные линии PCI Express xl для организации
взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий
интерфейс.
На южный мост чипсета возлагается функция организации
взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит
контроллеры жестких дисков (SATA и/или РАТА), USB-контроллер, сетевой
контроллер (только МАС-уровень), контроллер шин PCI и PCI Express,
контроллер прерывания и DMA-контроллер. Кроме того, в южный мост
обычно встраивается звуковой контроллер (в этом случае еще необходима
внешняя к чипсету микросхема кодека). Также южный мост соединяется еще
с двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROMпамяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и
параллельные порты и дисковод.
На рис. 4.2, а показан в упрощенном виде традиционный принцип
построения электроники системной платы, причем этот вариант
просуществовал более 30 лет и только сейчас начал модернизироваться. На
рисунке, в центре, между процессором, модулями оперативной памяти и
внешними устройствами расположен чипсет (chipset)— набор микросхем,
которые выполняют служебные функции по распределению сигналов между
всеми блоками.
При подаче напряжения питания чипсет вырабатывает определенную
последовательность команд, которая активизирует процессор. Процессор, в
свою очередь, по программе BIOS тестирует и активизирует остальные
устройства, установленные и подключенные к системной плате. Если старт
компьютера прошел успешно, то микросхемы чипсета связывают процессор,
память и периферийные устройства в единое целое— вычислительное
устройство, готовое выполнить команды пользователя или определенным
образом реагировать на появление сигналов в интерфейсных линиях.
Рис. 4. Принцип работы системной платы: а — традиционная схема; б —
контроллер памяти расположен на кристалле процессора
Если посмотреть внимательно на блок-схему на рис. 4.2, а, то можно
заметить, что поток информации от процессора к оперативной памяти и
обратно проходит через электронику чипсета. Даже если в чипсете есть
только буферные цепи, то и они, увы, вносят небольшую задержку времени,
пусть даже в идеале и в один такт системной шины. Для современных
компьютерных систем подобная задержка— это уже много, поэтому сначала
корпорация AMD, а потом и Intel перенесли контроллер памяти на кристалл
процессора (рис. 4.2, б). При таком принципе построения процессор работает
с памятью непосредственно, и ликвидируются лишние звенья, что повышает
общую производительность системы.
Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется
специальная выделенная шина, причем разные производители используют
для этого разные шины (с различной пропускной способностью):
 Intel: DMI (Direct Media Interface);
 AMD (унаследовала от ATI): HyperTransport, PCI Express;
 NVIDIA: HyperTransport;
 SiS (Silicon Integrated Systems): MuTIOL;
 VIA:V-Link.
Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста,
хотя правильнее указывать именно совокупность северного и южного
мостов. Дело в том, что во многих случаях один и тот же северный мост
чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.
Кроме вариантов построения системной платы, приведенных на рис. 4.2,
существуют и другие, которые зависят от архитектуры процессора.
Например, в последнее время становится популярным перенос интерфейса
видеокарты (для PCI-E) с чипсета на цепи, расположенные на кристалле
процессора, что ускоряет работу графической подсистемы. В частности,
допустимо все контролеры внешних устройств смонтировать на кристалле
процессора, заметим, что подобная схема применяется еще со времен
процессоров Intel 80186. но в настольных компьютерах не прижилась.
Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически
функциональность материнской платы и ее производительность на 90 %
определяются именно чипсетом. От него зависят поддерживаемый тип
процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по
подключению периферийных устройств
На рис. 4.11 приведена блок-схема третьего поколения чипсетов Intel
G35, предназначенного для новых процессоров Intel Core 2 Duo. Северный
мост — это микросхема G35 GMCH (МСН) (рис.4.12), а южный мост— это
ICH8R (ICH). Как видно, к северному мосту подключаются наиболее
производительные блоки: процессор, память и видеокарта, а к южному — вся
остальная периферия. Связь между мостами осуществляется со скоростью 2
Гбайт/с. Обратите внимание, что производителям системных плат
предлагается выбор между одним слотом PCI Express х!6 или двумя PCI
Express х8.
Рис. 4.11 Блок-схема третьего поколения чипсетов Intel G35
Разработка новых процессоров Intel Core i7 вызвала необходимость
выпуска новых типов чипсетов для обеспечения их работы. На рис. 4.14
показана блок-схема чипсета Х58. Из всех новинок, внедренных корпорацией
Intel, отметим только то, что модули памяти теперь непосредственно
управляются процессором, минуя посредника в виде северного моста. Вместо
шины FSB теперь используется интерфейс QPI, похожий на технологию
HyperTransport у процессоров AMD. По остальным особенностям чипсета,
следует внимательно сравнить блок-схемы на рис. 4.11. 4.13 и 4.14. Следует
отметить, что проведена лишь модернизация узлов, правда, без внесения
революционных изменений.
Рис. 4.14. Блок-схема чипсета Intel Х58
Примечание
В новых чипсетах, которые предназначены для процессоров Intel Core
i7/i5, оставлена всего одна микросхема, т. е. деление чипсета на южный и
северный мост уходит в прошлое.
Чипсеты для нетбуков
Для поддержки процессоров линейки Atom корпорация Intel на практике
использовала старую разработку Intel 945G Express, которая прошла обкатку
на процессорах Pentium 4 и Core 2 Duo. Следует отметить, что для
удешевления конечной продукции в нетбуках на базе процессоров Atom
используется только аналоговый видеовыход и одноканальная память, но.
возможно, это только временно.
Для нетбуков на базе процессоров VIA Nano используются чипсеты
разработки корпорации VIA.
Производители чипсетов
Если процессоры линейки д:8б делают три-четыре производителя
(считаем только тех. кто имеет достаточную долю на рынке), то чипсетами
для этих процессоров занимаются чуть больше фирм, правда, не так мною,
как в других областях микроэлектроники. И это связано с очень сложными
проблемами при разработке высокопроизводительных микросхем, мало
уступающих по сложности самим процессорам. Кроме того, приходится
успевать за лидерами Intel и AMD, которые каждый год модернизируют свои
процессоры. Сегодня реально в России можно встретить чипсеты всею лишь
4—5 фирм. Но, фактически, рынок чипсетов для процессоров «86 держат
фирмы Intel. NVIDIA. VIA и AMD.
Корпорация Intel традиционно разрабатывает чипсеты для всей
номенклатуры своих процессоров; вводит в схемотехнику потомков IBM PC
новые идеи и технологии. Но очень часто чипсеты сторонних
производителей оказываются более привлекательными для пользователей по
тем или иным параметрам. Правда, в последнее время скорость выпуска
новых процессоров стала настолько стремительна, что сторонние
производители просто не успевают предлагать оригинальные идеи.
Корпорация AMD до середины 2006 г. выпускам ограниченное
количество чипсетов для своих процессоров. В 2006 г. корпорация AMI)
приобрела знаменитого канадского производителя чипсетов для видеокарт —
корпорацию ATI. получив в наследство чипсеты с фирменной технологией
CrossFirc. В настоящее время корпорация AMD предлагает чипсеты как для
своих процессоров, так и для конкурирующей платформы Intel.
Корпорация NVIDIA, знаменитая своими чипсетами для видеокарт,
кроме того, выпускает чипсеты для системных плат. Оригинальные
технологии, особенно графические, позволяют ей быть очень серьезным
игроком на рынке. Например, чипсеты для процессоров линейки Pentium 4
были наиболее предпочтительны для многих пользователей.
Корпорация VIA разрабатывает и производит чипсеты не только для
своих процессоров, но н для процессоров производства корпораций Intel и
AMD. Часто се идеи в "чипсстостросннн" более интересны, чем у
конкурентов.
Компания Silicon Integrated Systems Corporation — SiS — выпускает
чипсеты и системные платы на их основе. Во времена господства сокста 7
системные платы SiS в России пользовались огромной популярностью, но
сейчас ее продукция встречается очень редко.
Основными игроками на рынке чипсетов стоит считать
 Intel,
 AMD (ATI)
 NVIDIA.
 VIA
 SIS
При изучении возможностей чипсетов пользователям следует обратить
внимание, что если ранее разработка нового чипсета знаменовалась
значительным увеличением производительности компьютера и появлением
новых функций, то в настоящее время разработчики исповедуют идеологию
"ползучей" модернизации, когда следующий тип чипсета мало отличается от
предшественника. Иначе говоря, в новом чипсете совершенствуют какую-то
одну функцию или добавляют поддержку того или иного стандарта,
например, работу с той или иной памятью. Кроме того, имеет место
разработка в рамках одного типа чипсета целого набора микросхем
(несколько вариантов южного и северного мостов), которые производители
системных плат могут произвольно комбинировать. В частности, в качестве
южного моста могут применяться микросхемы, разработанные для
предыдущего типа чипсета.
• VIA Technologies – торговая марка VIA;
• Silicon Integrated System – торговая марка SiS;
• Acer Laboratories – торговая марка Ali;
• AMD -ATI
• nVidia – набор nForce)
Известны такие чипсеты
440BX, 440GX, 440ZX
Чипсеты серии
700,800 и 900
Intel Ххх
Распространены также удачные чипсеты фирм
• VIA Technologies – торговая марка VIA;
• Silicon Integrated System – торговая марка SiS;
• Acer Laboratories – торговая марка Ali;
• AMD -ATI
• nVidia – набор nForce)
Смысл префиксов в обозначениях современных чипсетов от
Intel:
•
•
•
•
•
Х – топовый чипсет
Р – чипсет среднего уровня (“Perfomance”)
G – чипсет с интегриррованным графическим ядром
Q – аналогично, только с отключёнными игровыми возможностями
*М – предназначен для мобильных платформ
Intel 3x (Bearlake)
Семейство состоит из следующих чипсетов:
X38, P35, G33, G31, G35, Q35, Q33
Нововведения чипсетов:
• платы на Intel 3x работают и с памятью типа DDR3
• реализован хост-контроллер второй версии стандарта PCI
Express
Современные чипсеты от Intel (2007-2010)
Intel® X58
Intel® G45
Intel® P43|45
Intel® Q43
Intel® P55
Intel® Q45
Intel® H55
Intel® Q57
Intel® H57
Intel® B43
Intel® G41
Intel® G43
Intel® NM10
Intel® 945GSE
Следующим шагом (2011) бует выпуск чипсетов Х6 с
архитектурой Cougar Point. В них уже будет DMI II (4 ГБ/с) и
не только SATA II, но и SATA III (6 ГБ/с)