12)Чипсет и шинно-мостовая архитектура системной платы.

Системная (материнская) пла́та

Материнская плата (англ. motherboard, MB,) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Основные компоненты, установленные на материнской плате:

1. Центральный процессор.

2. Набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».

3. Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) — память, часть системы памяти ЭВМ, в которую процессор может обратиться за одну операцию. Предназначена для временного хранения данных и команд, необходимых процессору для выполнения им операций. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кеш-память. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.

4. Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS.

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

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: Mini-ATX; полноразмерная плата AT.

Современные: АТХ; microATX;.

Внедряемые: BTX, MicroBTX и PicoBTX

Front Side Bus (FSB) — шина, обеспечивающая соединение между x86-совместимым центральным процессором и внутренними устройствами.

Как правило, современный персональный компьютер на базе x86-совместимого 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 BIOS'а, 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.

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.

Чипсет

Ч ипсет (англ. chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других.

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):

1. 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

2. 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.

Название можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты.

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

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.

Северный мост (англ. Northbridge; в отдельных чипсетах Intel, также — контроллер-концентратор памяти англ. Memory Controller Hub, MCH) — системный контроллер (хаб) чипсета на материнской плате платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключены:

• через Front Side Bus (FSB) — микропроцессор,

• если в составе процессора нет контроллера памяти, то через шину контроллера памяти — оперативная память,

• через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового диапазона, видеоадаптер часто встроенный. В таком случае северный мост, произведенный Intel, называется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub)

Исходя из назначения, северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную способность):

• системной шины и, косвенно, процессора (исходя из этого — до какой степени может быть разогнан компьютер),

• оперативной памяти (тип — например SDRAM, DDR, её максимальный объем),

• подключенного видеоадаптера.

Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяет выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы.

В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и южный мост.

На этапе, когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы северного моста помимо пассивного охлаждения (радиатора) для своей бесперебойной работы требуют использования индивидуального вентилятора или системы жидкостного охлаждения.

Южный мост (от англ. Southbridge) (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH).

Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «Центральный процессор-ОЗУ») взаимодействия (например, Low Pin Count, Super I/O или разъёмы шин для подключения периферийных устройств) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост, который, в отличие от Южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору.

Функционально южный мост (хаб) включает в себя:

• контроллер шины PCI (устаревший);

• контроллер шины PCI Express;

• DMA контроллер;

• контроллер прерываний;

• PATA (IDE) и SATA контроллеры;

• часы реального времени (Real Time Clock);

• управление питанием (Power management (APM и ACPI);

• энергонезависимую память BIOS (CMOS);

• звуковой контроллер (обычно AC97 или Intel HDA).

Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры, контроллеры USB, контроллеры FireWire и аудио-кодек.

Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода). Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать поддержку шины PCI-X и PCI Express. Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.

Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ о событиях в периферийных устройствах..

Южный хаб связан только с северным при помощи быстродействующей последовательной DMI- шины (Direct Media Interface). В материнских платах для процессоров с разъемом LGA 1156 (то есть для Core i3, Core i5 и некоторых серий Core i7 и Xeon) и со встроенным контроллером памяти, DMI используется для подсоединения чипсета (PCH) непосредственно к процессору. Пропускная способность на уровне PCI-E x4и составляет порядка 2Гбайт/с.

Платформенный хаб (Platform Controller Hub, PCH), представляет собой однокристальное решение, которое служит заменой традиционному северному и южному мостам. В процессорах фирмы Intel, на кристаллах которых интегрирован северный мост, шина DMI обеспечивает связь между кристаллом процессора и южным мостом. Тем не менее, логически эта шина по-прежнему является связующей линией между северным и южным мостами, поскольку северный мост лишь физически интегрирован с процессором, но архитектурно по-прежнему является независимым устройством.