Контроллеры внутри системной шины: чипсет

Центральный процессор через системную шину подключается к системному контроллеру – северному мосту (англ. «North Bridge»). Северный мост оснащен контроллером ОЗУ (или же этот контроллер встроен в центральный процессор), а также контроллерами шин для подключения периферийных устройств. Также к системному контроллеру подключаются периферийные устройства с высокой производительностью, например, видеокарта с шиной PCI Express 16x, а устройства с меньшой производительностью (устройства с шиной PCI или микросхема BIOS) будут подключены уже к южному мосту (англ. «South Bridge»), который через специальную шину подключен к северному мосту. Набор из северного и южного мостов называют чипсетом^[23].

Северный мост

Северный мост начал именоваться именно так из-за своего расположения на материнской плате. Он представляет собой микрочип, визуально расположенный «под» процессором, однако в верхней части материнской платы, как бы в «северной» её части. Системный контроллер служит для передачи команд центрального процессора к оперативной памяти, и видеоконтроллеру, а также конвертацию этих команд в форму, необходимую для обращения к оперативной памяти. Порой, для увеличения потенциальной производительности системы, к северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные устройства, например, видеокарты с шиной PCI Express. Северный мост соединен с материнской платой посредством согласующего интерфейса. Северным мостом определяются параметры (пропускная способность, частота, а также тип): системной шины, оперативной памяти (тип используемой памяти, а также ее максимальный объем), подключенного видеоконтроллера^[24].

Южный мост

Еще одним компонентом чипсета является функциональный контроллер ввода-вывода, так называемый южный мост, служащий для связи центрального процессора (через северный мост) с устройствами, не столь критичными к скорости взаимодействия^[24]:

• Контроллеры PCI (X, E), прерываний, LPC, IDE/SATA DMA, ISA;

• Контроллер LPT-порта;

• Контроллер COM-портов;

• Часы реального времени RTC (от англ. «Real Time Clock»);

• BIOS (CMOS), вместе с энергонезависимыми системами обеспечения;

• Звуковой контроллер;

Особенностью южного моста является его взаимодействие с внешними устройствами. Как следствие, он довольно чувствителен к различным негативным факторам, влияющим на нормальную работу устройств (короткое замыкание, перегрев, деформация материнской платы и т. п.) ^[24].

История развития системных шин первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разными способами доступа, задержками, протоколами^[22].

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять код только для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие^[22].

Некоторое время спустя компьютеры стали распределять память между процессорами. На них доступ к шине также получил приоритеты. Простой способ обеспечить приоритеты прерываний или доступа к шине заключался в цепном подключении устройств^[22].

Было понятно, что две разные шины могут быть излишними и дорогими для серийных и небольших компьютеров. Таким образом, было предложено отображать периферийные устройства на шину памяти, так, что они выглядели как области памяти^[22].

Первые мини-компьютерные шины представляли пассивные объединительные платы, подключенные к контактам микропроцессора. Память и другие устройства подключались к шине с использованием тех же контактов адреса и данных, что и процессор. Все контакты были подключены параллельно. В некоторых случаях, необходимы дополнительные инструкции процессора для генерации сигналов, чтобы шина была настоящей шиной ввода-вывода, как в IBM PC^[22].

Такие простые шины имели серьёзные недостатки для универсальных компьютеров. Всё оборудование на шине должно было передавать информацию на одной скорости и использовать один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора было непростым, так как требовало такого же ускорения всех устройств. Это часто приводило к ситуации, когда очень быстрым процессорам приходилось замедляться для возможности передачи информации некоторым устройствам. Такое дело было простительно для встраиваемых систем, но не для коммерческих компьютеров. Другая проблема заключалась в том, что процессор требуется для любых операций, и когда он занят другими операциями, реальная пропускная способность шины может значительно пострадать. Компьютерные шины такого вида были сложны в настройке, при наличии широкого спектра оборудования. Например, каждая добавляемая карта расширения могла требовать установки множества переключателей для задания адреса памяти, адреса ввода-вывода, приоритетов и номеров прерываний^[22].