Состав типового персональный компьютер (стр. 4 )

Расчет пропускной способности шин ПК шина PCI-express в байтах

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 и использования альтернативных (улучшенных) протоколов обмена.

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 ввода-вывода (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 (nForce-nForce 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 ввода-вывода 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 блок-схемах: 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 ROM-памяти 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;