2.1.5. Системный набор
Потенциальные возможности и эффективность компьютерной системы во многом определяются т.н. системным набором, установленным на материнской плате и предназначенным для организации работы процессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с ОЗУ и др. компонентами персонального компьютера.
Набор микросхем «Чипсет». Так называется комплекс логических устройств, предназначенных для управления прохождением информации через шины – чипсет (chipset). Параметры «чипсета» определяют свойства и функции материнской платы. В настоящее время такие микросхемы выпускаются двух видов:
Чипсет «Северный мост» («North Bridge») – управляет взаимосвязью 4–х устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP и шины PCI. Поэтому он и называется четырехпортовым контроллером.
Чипсет «Южный мост» («South Bridge»)– выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции моста ISA – PCI, контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т.п. Поэтому он называется функциональным контроллером.
Известны чипсеты, в которых встроены видео- и звуковые контроллеры (например, «Intel 810»).
Новейшие системные наборы построены по другому принципу (например, «Intel 820»). Они чаще всего имеют т.н. хабовую (узловую) архитектуру. Основу составляют несколько микросхем (хабы – узлы). Контроллер памяти управляет шинами: системной, памяти, AGP, хабовой (соединяющее все контроллеры). Контроллер ввода / вывода управляет интерфейсами: PCI, USB, IDE, клавиатуры, мыши и т.д. Третий хаб содержит BIOS и генератор случайных чисел. Дополнительно могут применяться контроллер моста PCI–ISA и преобразователь шины памяти (MTH), позволяющий вместо DR DRAM использовать обычную память SDRAM.
Чипсеты с интерфейсом Socket 7. Чипсеты с интерфейсом Socket 7 и/или Super Socket 7 представлены семейством чипсетов фирм: «Intel» (Intel 430 TX, Intel 430 VX, Intel 430 HX), «VIA Technologies» (VIA Apollo VP2, VIA Apollo VPX, VIA Apollo VP3, VIA Apollo MVP3, VIA Apollo MVP4), «Silicon Integrated System» (SIS 5528, SIS 5591/5595), отличающиеся друг от друга объемом поддерживаемой оперативной памяти, присутствием или отсутствием режима коррекции ошибок, объемом КЭШ-памяти, обеспечиваемой тактовой частотой для системной шины, поддержкой графического адаптера с интерфейсом AGP и звуковой карты.
Чипсет Intel 430 TX отвечает стандартам АТ или АТХ и обеспечивает поддержку процессоров Intel Pentium P54/P55, AMD K5/K6, Cyrix 6x86, IDT C6. Системная шина выставляется на частоты 60 МГц, 66 МГц, 75 МГц, 83 МГц и 100 МГц. Возможна работа с модулями памяти SIMM (до четырех) и DIMM (до двух), максимальным объемом 256 Мбайт. При этом память свыше 64 Мбайт не кэшируется, отсутствует поддержка режима коррекции ошибок. Кэш-память 2-го уровня (L2) объемом до 512 Кбайт размещена на системной плате. Контроллер IDE поддерживает протокол обмена данными Ultra DMA – 33. Имеются интерфейсы USB и ACPI с соответствующими разъемами. BIOS обеспечивает загрузку с любого жесткого диска. Для разделения шин ISA и PCI используется мост PCI – ISA.
Чипсеты с интерфейсом Socket 8. Основным чипсетом с поддержкой процессоров Pentium Pro (до 4-х на одной системной плате) является Intel 450 KX. Специфическая архитектура двойной независимой шины для Pentium Pro позволила разделить собственно системную шину и шину КЭШ-памяти второго уровня, интегрированную на материнской плате. Чипсет работает с модулями полностью кэшируемой памяти SIMM объемом до 256 Мбайт, обеспечивает коррекцию ошибок методом ECC. К сожалению, контроллер IDE не поддерживает протокол Ultra DMA – 33, что влияет на быстродействие дисковой подсистемы.
Для высокопроизводительных серверов предназначен чипсет Intel 450 GX, работающий с памятью объемом до 512 Мбайт.
Чипсеты с интерфейсами Slot 1, Socket 370. Наиболее яркими представителями таких чипсетов являются:
а) Intel 440 LX – обеспечена работа шины AGP, до 2-х процессоров на одной системной плате, возможна установка звуковых карт на шине PCI. Частота системной шины до 83 МГц, максимальный объем устанавливаемой памяти в модулях DIMM – 512 Мбайт. Введена поддержка протокола Ultra DMA – 33, интерфейса USB.
Кроме того набор обладает следующими характеристиками: поддержка интерфейса ACPI, поддержка технологии Plug–and–Play.
Набор состоит из 2-х микросхем: контроллера PAC в корпусе типа 492BGA (PCI AGP Controller – «северный мост») и PIIX4 в корпусе типа 324 BGA (PCI, IDE Xcelerator – «южный мост»).
Набор представляет собой первую попытку оптимизации архитектуры, получившей название «четырехпортовая» (QPA – Quad Port Architecture). К числу основных компонентов QPA относятся:
интерфейс AGP (Direct Connect AGP);
система динамического распределенного арбитража системной шины;
средства многопоточного доступа к памяти (Multistream Memory Access);
мост с шиной PCI.
б) Intel 440 BX – позволяет устанавливать в модулях DIMM до 512 Мбайт памяти или до 1024 Мбайт в модулях SIMM, обеспечивает коррекцию ошибок по протоколу ECC, для шины PCI установлена частота 33 МГц (многие производители предлагают выбор частот системной шины от 66 МГц до 133 МГц), поддержка двухпроцессорности (поддержка SMP – System Management Bus), поддержка протокола Bus Mastering, поддержка протокола Ultra DMA – 33, поддержка AGP режимов 1х/2х, поддержка USB и т.п.
в) Intel 820 – поддержка всех модификаций процессоров Pentium, Celeron; возможность установки 2-х процессоров (поддержка SMP); один канал Direct Rambus с поддержкой модулей RIMM на частотах 266, 300, 356 или 400 МГц; протокол коррекции ошибок ECC; до 1 Гбайт устанавливаемой памяти DR DRAM, до 512 Мбайт памяти SDRAM; 100 МГц или 133 МГц на системной шине; поддержка интерфейса AGP 4х; поддержка интерфейсов: управления питанием ACPI и APM, USB 1.1 (2 порта), AC’97 2.1 (аудиомодемный кодек – до 5 Bus Master устройств); поддержка протокола Ultra DMA; поддержка шифрования через генератор случайных чисел.
Набор Intel 820 имеет хабовую структуру, состоит их 3-х микросхем.
Intel 8280 MCH – Memory Controller Hub (корпус типа BGA имеет 324 контакта) включает: контроллер системной шины с поддержкой частот 100 МГц или 133 МГц, контроллер памяти DR DRAM, контроллер AGP-шины, контроллер хабовой шины.
Intel 82801AA ICH – I/O Controller Hub включает: контроллер шины PCI, контроллер IDE, контроллер USB, контроллер AC’97, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти (DMA), контроллер таймера, контроллер шины управления системой (SMB).
Intel 82802 FWH – Firm Ware Hub включает 4- или 8- мегабитную микросхему флэш-памяти с «зашитым» BIOS. расположенный в микросхеме генератор случайных чисел предназначен, прежде всего, для обеспечения безопасности системы на аппаратном и программном уровнях. Микросхема соединена с хабом ICH шиной Firm Ware Hub Interface.
Дополнительно к базовому системному набору могут подключаться микросхемы Intel 82805AA (Memory Translator Hub) и Intel 80380AB (мост PCI–ISA). Микросхема MTH предназначена для обеспечения совместимости с памятью типа SDRAM, т.е. выполняет функции переходника между MCH и модулями DIMM.
г) Intel 815 – долгожданный наследник чипсета Intel 440 BX. Архитектура его аналогична рассмотренной архитектуре чипсета Intel 820, за небольшим исключением. Во-первых, узел Intel 8215 Graphics and Memory Controller Hub (GMCH) поддерживает напрямую память типа SDRAM (на частоте до 133 МГц). Во-вторых, отсутствует поддержка многопроцессорных конфигураций. В-третьих, используется новый узел (хаб) – I/O Controller Hub (ICH 2) Intel 82801 BA, имеющий расширенные возможности. При этом FWH (Firmware Hub) остался практически без изменений.
Применение встроенного графического контроллера i 740 ограничено областью офисных приложений (причем, собственная локальная память у него отсутствует). При необходимости можно устанавливать дополнительную видео память в слот AGP. Такой модуль называется Graphics Performance Accelerator (GPA).
Функционирование GMCH при работе с памятью имеет особенность. Во-первых, поддерживается только 6 банков памяти (3 модуля DIMM). Причем, максимальное число модулей может работать только на частоте 100 МГц, а при повышении частоты до 133 МГц возможна работа только 2-х модулей DIMM (4 банка памяти). При этом GMCH, если обнаруживает 5-й банк памяти, самостоятельно переводит шину памяти в режим работы на частоте 100 МГц. Во-вторых, шина памяти может работать асинхронно с системной шиной (FBS – Front Side Bus). Однако при работе FBS на частотах 66 или 100 МГц шина памяти работает на частоте 100 МГц, а при частоте FBS 133 МГц шина памяти может функционировать на частотах 100 или 133 МГц. Следовательно, модели процессоров, работающие на частотах свыше 600 МГц, будут ограничены пропускной способностью шины памяти.
Набор не поддерживает протокол коррекции ошибок ECC.
Отдельно следует отметить наличие генератора случайных чисел (Random Number Generator – RNG) в составе FWH. Генерация программными средствами псевдослучайных чисел для шифрования данных может привести к опасности вскрытия кода, если известен алгоритм работы программы. RNG генерирует случайные числа на основе измерения тока утечки (шума) на системной плате. Эта величина в принципе непредсказуема, что является основой для надежного шифрования данных.
Кроме рассмотренных, интерфейсам Slot 1, Socket 370 соответствуют чипсеты Ali Aladdin ProII, Ali Aladdin TNT2, Ali Aladdin Pro5(ST), VIA Apollo Pro, VIA Apollo Pro133(133A), VIA Apollo Pro266, SIS 5600/5595, SIS 620/630, SIS 633/633T, SIS 635/635T и т.п.
Чипсеты с интерфейсом Slot 2 – представлены наборами:
а) Intel 440 GX – предназначен для рабочих станций среднего и высокого уровня, состоит из 2-х микросхем: PCIIX 4 (PCI ISA IDE Xcelerator) и ядра GX (82443GX Host Bridge Controller), построен по 4-х портовой архитектуре QPA (Quad Port Architecture) и представляет собой коммутатор между интерфейсами: AGP, PCI, FSB и шиной памяти, поддерживает процессоры с внешней частотой 64-битовой шины 100 МГц, поддерживает режимы AGP 1х и 2х (возможно только одно AGP устройство), до 8 банков 100 МГц памяти SDRAM – 4 разъема 16-, 64-, 128- и 256 мегабайтные модули DIMM, всего до 2 Гбайт памяти с поддержкой коррекции ошибок ECC.
б) Intel 450 NX – системный набор с оригинальной архитектурой для достижения максимальной производительности в многопроцессорной конфигурации: поддержка до 4-х (с применением специальных расширителей – до 8) процессоров, 32-битовая адресация, до 8 Гбайт памяти, до 4-х шин PCI 32 бит 33 МГц (или до 2-х шин PCI 64 бит), производительность возрастает до 3,5 раз при 4-х процессорах, до 6 мастер-устройств и до 10 карт расширения на каждой шине PCI, протокол коррекции ошибок ECC, диагностика ошибок (Parity) по всем сигналам PCI, упреждающий выбор данных при чтении из памяти.
Чипсеты с интерфейсом Socket 423/478 – предназначены для многопроцессорных систем на основе Pentium III/ Pentium IV.
Они представлены наборами:
а) Intel 850 – стал прямым наследником Intel 840, предназначенного для корпоративных систем. С технической стороны Intel 850 выделяется появлением системной шины с эквивалентной частотой 400 МГц (технология четырехкратного съема данных за один такт – Quad Pump) и поддержкой памяти только типа Rambus DRAM.
б) Intel 845 – набор предназначен для массовых потребителей, имеющих системы на основе Pentium 4. Для этого фирма Intel отказалась от памяти Rambus DRAM в пользу памяти типа SDRAM и DDR SDRAM. Первоначально чипсет комплектовался южным мостом ICH2, но затем – мостом ICH3, где предусмотрена поддержка USB 2.0 (до 4-6 портов). Северный мост (МСН) i 82845, частота FSB 400 МГц, частота памяти 100/133 МГц, максимальный объем ОЗУ 3 Гбайт, максимальный режим AGP 4х.
в) VIA P4X266 – конкурирующий с чипсетами фирмы Intel системный набор. Поддерживает память как SDRAM, так и DDR SDRAM. Общий объем поддерживаемой памяти до 4 Гбайт. Южный мост соединен с северным посредством шины V-Link, имеющей пропускную способность до 266 Мбайт/с.
Набор включает контроллер шины PCI, контроллер IDE, хост-адаптер USB (6 портов), аудикодек АС’97 (поддержка Dolby Digital и цифрового интерфейса).
Модификация набора Р4М266 имеет встроенное в северный мост графическое ядро Savage 4.
Чипсеты с интерфейсом Slot A, Socket A. Наиболее яркими представителями являются наборы фирмы AMD для процессоров Athlon, Duron.
а) AMD 750 – выполнен на 2-х микросхемах: системного контроллера AMD 751 (контроллер системной шины, контроллер шины памяти, контроллер интерфейса AGP, контроллер интерфейса PCI) и контроллера периферийных интерфейсов AMD 756 (контроллер интерфейса USB, контроллер интерфейса IDE, контроллер интерфейса ISA, мост PCI – ISA). Микросхемы соединены шиной PCI.
Системная шина с тактовой частотой 100 МГц обеспечивает обмен данными по обоим фронтам сигнала (результирующая частота – 200 МГц). Шина состоит из 3-х независимых каналов: Processor Request Channel (13 бит), System Probe Channel (13 бит) и собственно канала передачи данных (64 бит данных + 8 бит ECC = 72 бит). Пиковая пропускная способность 1,6 Гбайт/с. Шина памяти с тактовой частотой 100 МГц также имеет ширину 72 бит.
Прочие микросхемы набора относятся к стандартным: BIOS, контроллер портов ввода / вывода 1394 А, сетевой адаптер.
б) nVidia nForce. Чипсет разделен на две части: встроенный графический процессор (IGP – Integrated Graphics Processor) и медиа-коммуникационный процессор (MCP – Media and Communications Processor). IGP выполняет функции обычного северного моста, фактически обеспечивая интерфейс к процессору, шине AGP, памяти и южному мосту.
IGP–64 поддерживает один контроллер SDR/DDR SDRAM, но модификация IGP–128 поддерживает два независимых SDR/DDR SDRAM контроллера памяти на шинах шириной 64 бит, что позволяет удвоить пропускную способность памяти (теоретически до 4,2 Гбайт/с).
Обе версии северного моста включают в себя графическое ядро GeForce 2 MX, работающее на частоте 175 МГц. В работе графики наиболее проявляется преимущество канальной архитектуры памяти. Хотя и графическое ядро делит ресурсы с другими потребителями (процессором и периферийными устройствами), пропускная способность памяти SDRAM на частоте 166 МГц и ширине шины 128 бит достигает 2,7 Гбайт/с.
Основная роль MCP – работать в качестве южного моста, обеспечивая связь с устаревшими шинами, интерфейсами USB, PCI, IDE Ethernet и звуковыми контроллерами. Нововведением является наличие мощного встроенного аудиопроцессора, названного фирмой модулем аудиообработки (Audio Processing Unit).
MCP соединен с IGP посредством шины Hyper Transport.