5. Чипсеты материнских плат с процессорами р7 или к7

Увеличение функций и улучшение технологии изготовления СБИС способствует интеграции устройств компьютера в набор 2-4 микросхем с числом выводов несколько сотен. Чипсет для материнских плат компьютеров, построенных на базе процессора Intel Pentium 4, AMD Athlon и их модификаций, включает 3 основных СБИС: контроллер памяти/шины (северный мост MCH), контроллер ввода/вывода (южный мост ICH2), ППЗУ для хранения программ BIOS и генератора случайных чисел.

Характеристики чипсетов i845, i850, i860, AMD 760 представлены в табл. 5.3. Хаб-архитектура AHA корпорации Intel, использованная вначале для построения чипсетов серии 800 и более усовершенствованная в чипсетах i850, i845, i860, обеспечивает вдвое большую пропускную способность шины ввода/вывода, чем «бриджевая» технология северного и южного мостов (northbridge/southbridge).

Первоначально единственным чипсетом, поддерживающим работу процессоров Pentium 4, был Intel 850, построенный на базе чипсета i840, поддерживающий 2 канала Direct RDRAM. Недостатком его являлась поддержка только высокопроизводительной дорогой RDRAM-памяти, что лишало Pentium 4 спроса. В связи с этим компания Intel, неудовлетворенная объемами продаж Pentium 4, начала разработку нового чипсета i845, который поддерживает оба типа памяти – SDRAM и DDR SDRAM. Первое поколение системных плат с i845 работает только с модулями SDRAM, а следующие модели плат – с разъемами под память DDR SDRAM. Чипсет Intel 845 был разработан для конфигурации ЭВМ с процессором Intel Pentium 4 с поддержкой большого объема памяти типа SDRAM . Возможности этого набора микросхем позволяют оптимизировать производительность всей системы и предоставляют надежную платформу для процессора Intel Pentium 4 со следующей конфигурацией:

- 400МГц процессорная системная шина;

- контроллер-концентратор памяти 82845 MCH: поддержка спецификации PC133 памяти типа SDRAM и 1.5-вольтовой шины AGP 4х;

- контроллер-концентратор ввода/вывода ICH2: поддержка протокола ATA/100, 4 портов USB, спецификации AC97, шины CNR и контроллера LAN;

Таблица 5.3 Характеристики чипсетов для Pentium 4 и Athlon
Чипсет	МП	Частота системной шины (МГц)				Интерфейс НЖМД			AGP	ОЗУ
		100	133	266	400	33	66	100		SDRAM	RDRAM
845	Pentium 4	*	*	-	*	**	**	**	4x	П	-
850	Pentium 4	*	*	-	*	**	**	**	4x	-	*
760	Athlon, Duron	*	*	*	-	**	**	**	4x	*	-
860	Pentium 4	*	*	-	*	**	**	**	2;4x	П	*
		«*» – да; «-» – нет; П – поддерживает SDRAM 133 МГц; «**» – поддерживает Ultra DMA 33/66/100

Для компьютеров с процессором Pentium 4 с ОЗУ RDRAM Intel изготавливает набор микросхем i850. В чипсет входят 2 основных СБИС:

- контроллер-концентратор памяти 82850 (MCH) имеет сдвоенные каналы для памяти RDRAM и 400МГц для обмена по системной шине и поддерживает графические системы с помощью технологии AGP 4х. Учитывая высокую потребляемую мощность и большое тепловыделение, северный мост упакован в совершенно новый 35 на 31 мм 615-контактный OLGA корпус, предназначенный для непосредственного контакта кристалла с охлаждающим радиатором, имеющим достаточно большие размеры;

- усовершенствованный контроллер-концентратор ввода/вывода 82801BA (ICH2) обеспечивает удвоение пропускной способности устройств ввода/вывода по сравнению с традиционной архитектурой мостов и имеет выделенные каналы передачи данных, позволяющие полностью оптимизировать использование дополнительной полосы пропускания. Контроллер-концентратор ICH2 устанавливает прямой канал связи с графической системой и памятью, позволяя ускорить доступ к внешним устройствам, и обеспечивает функции и полосу пропускания, необходимые для высокопроизводительных ПК.

Кроме того, чипсет обладает следующими дополнительными возможностями:

1. 400 МГц системная шина обеспечивает высокоскоростной обмен данными между процессором Pentium 4 и другими компонентами системы. Интерфейс AGP 4х дает возможность графическим контроллерам осуществлять доступ к основной памяти со скоростью более 1 Гб/с.

2. Сдвоенные каналы памяти RDRAM, работающие шагами с блокировкой (lock step), обеспечивают процессору скорость обмена с памятью 3,2 Гб/с.

3. Наличие сдвоенных портов USB позволяют вдвое увеличить полосу пропускания для использования периферийных устройств, доводя ее до 24 Мб/с.

4. Контроллер AC97 включает 6 звуковых каналов.

5. Два контроллера Ultra ATA/100.

6. Интерфейс подключения к локальной сети (LCI).

Для процессора Athlon компания AMD выпустила чипсет AMD-760, который имеет следующую архитектуру:

- системный контроллер (северный мост) AMD-761 в корпусе PBGA с 569 выводами;

- контроллер периферийных шин (южный мост) AMD-766 в корпусе PBGA с 272 выводами;

- двойная процессорная шина FSB 200/266 МГц EV-6 DDR;

- поддержка до 4 Гб оперативной памяти PC1600 и PC2100 DDR SDRAM, порта AGP 4х (включая режимы 1х и 2х) и шины PCI 2.2;

- 7 PCI слотов 33 МГц 32/64-бит или 2 PCI слота 66 МГц 32/64-бит;

- 2 канала EIDE, ATA 33/66/100;

- 4 порта USB и поддержка управления питанием и режимом ACPI.

Чипсет использует классическую архитектуру с северным и южным мостом. Северный мост AMD-761 состоит из контроллера системной шины процессора Athlon, контроллера памяти, контроллера AGP и PCI. Он поддерживает до 2 Гб как PC1600, так и PC2100 DDR SDRAM, и до 4 Гб при применении модулей памяти Registered DDR. Так как для обычной PC1600 и PC2100 DDR-памяти северный мост поддерживает только 2 слота, а Registered DDR память можно устанавливать в 4 слота, что при максимально емких модулях и дает 2 и 4 Гб.Чипсет, наряду со 200МГц FSB, поддерживает и 266МГц системную шину, к которой подключаются процессоры с частотой 1 ГГц и выше. Связь между северным и южным мостом осуществляется по шине PCI с максимальной пропускной способностью 133Мб/с. PCI способна обеспечить без задержек в передаче данных южный мост AMD-766 и даже выдержать нагрузку более функционального VIA 686B – последнего южного моста от VIA, взаимодействующего с северными посредством PCI шины. Южный мост 686B поддерживает ATA-100, но не располагает шестиканальным AC'97 звуком и выходом на слот ACR.

В чипсете i860 реализована новая модульная концепция семейства чипсетов i800. Как и в остальные наборы этой серии, в чипсет i860 входят 2 основных компонента:

- контроллер-концентратор памяти 82860 (MCH) имеет высокопроизводительные сдвоенные каналы для памяти RDRAM, работающие в связке, обеспечивающие скорость обмена памяти с процессором до 3,2 Гб/с и 400МГц системную шину, а также обеспечивает многочисленные возможности подключения внешних устройств, включая подключение через 2 высокоскоростные 64-разрядные PCI-шины, работающие на частоте 66МГц. Кроме того, он обеспечивает поддержку графических систем с помощью технологии AGP 4x;

- усовершенствованный контроллер-концентратор ввода/вывода 82801BA (ICH2) обеспечивает удвоение пропускной способности устройств ввода/вывода по сравнению с традиционной архитектурой мостов и имеет выделенные каналы передачи данных, позволяющие полностью оптимизировать использование дополнительной полосы пропускания. Контроллер-концентратор ICH2 устанавливает прямой канал связи с графической системой и памятью, позволяя ускорить доступ к внешним устройствам, и обеспечивает функции и полосу пропускания, необходимые для высокопроизводительных рабочих станций. Контроллер-концентратор ICH2 поддерживает 32-разрядный контроллер PCI, интерфейс Ultra ATA/100, интегрированный контроллер локальной сети и 2 сдвоенных контроллера USB, обеспечивающих высокую скорость передачи данных по четырем портам. Кроме того, чипсет поддерживает контроллер AC'97.

Кроме основных компонентов чипсет имеет интегрированный в MCH порт AGP, который обеспечивает скорость обмена данными с графическим контроллером до 1 Гб/с. Данный чипсет поддерживает до двух процессоров Pentium 4 с частотой обмена 400 МГц. Кэш-память с предварительной выборкой, встроенная в набор микросхем i860, оптимизирует потоки данных и позволяет элементам системы работать в максимальной степени параллельно.

5.1. Организация компьютера с процессором Pentium 4 и Athlon

Компьютер с процессором Pentium 4, характеристика и структура которого рассмотрена в гл.IIп.7, появился вначале для решения задач потоковой обработки данных с набором ИС i850 и ОЗУ RDRAM. Так как Intel проектировала процессор Pentium 4 для работы с потоками данных, то основной задачей чипсета i850 является обеспечение высоких пропускных способностей шины памяти и системной шины, соединяющей процессор с северным мостом чипсета. Учитывая то, что пропускная способность PC800 RDRAM составляет 1,6 Гб/с, использование двух каналов Rambus и чипсета i850 обеспечивает пропускную способность МП с ОЗУ близкую к 3,2 Гб. Увеличение размера пакета обмена данными между процессором и набором микросхем, как показано в табл. 5.4, обеспечивает более высокую производительность по сравнению с прежними системами. Новая шина, называемая Quad-Pumped Bus, способна передавать четыре 64-разрядных блока данных за такт и 2 адреса за такт. Для обеспечения непрерывной обработки адресов в чипсете i850 применена очередь с сохранением последовательности, поддерживающая обработку до 8 независимых конвейеризованных адресных запросов. Тем самым шины AGP 4x и хаб – интерфейс с южным мостом обеспечивают двукратное увеличение пропускной способности по сравнению с обычной PCI шиной, применяющейся в чипсетах других производителей.

Таблица 5.4

Характеристики подсистем компьютера с Pentium 4
Интерфейс	Тактовая частота, МГц	Блоков данных за такт	Разрядность, бит/байт	Пропускная способность, Мб/с
Системная шина	100	4	64/8	3200
AGP	66	4	32/4	1066
ДвухканальныйRDRAM	400	2	32/4	3200
Хаб интерфейс	66	4	8/1	266
PCI	33	1	32/4	133

Организация компьютера с процессором Pentium 4 и с чипсетом i850 показана на рис. 5.11. В качестве южного моста ICH2 в схеме используется микросхема 82801BA, а в качестве северного моста – MCH Intel 82850 с поддержкой двух каналов Rambus, каждый из которых может функционировать с парой идентичных модулей RIMM.Главный недостаток памяти RDRAM – это более высокая цена. Модули Direct Rambus дороже аналогичных по объему модулей PC133 SDRAM. Однако двухканальная RDRAM в системах с Pentium 4 удовлетворяет требованию необходимой пропускной способности и эффективна в задачах потоковой обработки данных. В случае же решения задач, требующих непоследовательного доступа к данным, латентность RDRAM оказывается слишком высокой, и тогда оправдано применение не только DDR SDRAM, но и даже обычной SDRAM памяти. Организация компьютера с чипсетами i845, i860 и Pentium 4 имеет аналогичную структуру и близкие технические характеристики, которые приведены в табл. 5.5.

Рис. 5.11. Организация компьютера на чипсете i850

Таблица 5.4 отражает особенности разработки материнских плат наоснове чипсетовAMD760, ALI MAGIC1,i845,i850,i860. Представленные в таблице платы поддерживают процессорыAMDAthlon/Duron,Pentium4. Большинство плат в зависимости от типа ОЗУ имеют илиDIMM-разъемы для памяти типа SDRAM, илиRIMMслоты для памяти фирмы Rambus. Все платы поддерживают режимUltraDMA/100. Многие платы имеют дополнительные функции, например: пробуждение от таймера, аппаратный контроль, датчик вскрытия корпуса и т.п. Ввиду дороговизны самого чипсета i850 и достаточно сложного производства плат под Socket 423 платы под Pentium 4 выпускаются ограниченным числом производителей. Спецификации плат AOpen AX4T, ASUS P4Т, Intel D850 MD, Gigabyte GA-8TX,MSI MS-6339 и др. включает: чипсет i850, 4 слота RIMM, 5 слотов PCI, форм-фактор ATX2.03.

Таблица 5.5

Характеристики материнских плат с МП Pentium4 и Athlon
Плата	ASUS A7M266		Gigabyte 7DX	Intel D850MD	ASUS P4B	Super P4DCE
МП	Socket462 МП AMD Athlon и Duron, частота шины 200/266 МГц			Socket 478, Pentium 4; системная шина 400 МГц	Pentium 4 (Willamette /Northwood), частота шины 400 МГц, Socket 478	Два МП Intel Xeon 1.5-2.0 + ГГц; системная шина 400 МГц
Чипсет	ALI MAGIС 1 M1647 M1535D	AMD 761, южный мост VIA 686B		Intel 850	Intel 845	Intel 860
ОЗУ	Два 184 – DIMM, PC2100/DDR266 и PC1600/DDR200 до 2 Гб с ECC			4 слота RIMM RDRAM до 2 Гб	Три 3,3 В 168-контактных слота DIMM до 3 Гб памяти PC133 SDRAM с ECC	Четыре 184-RIMM до 2 Гб RDRAM 600/800 МГц
Слот AGP	AGP Pro 4x		AGP 4x	AGP 4x	1 AGP Pro/AGP 4x	AGP Pro 4x 1.5 В
Слоты	5 слотов 32-х PCI 2.2 1 слот AMR (Audio Modem Riser)			3 слота PCI	6 слотов PCI 32-битных Bus Master, 1 слот CNR	Два 64-х 66 МГц и четыре 32-х 33 МГц слота PCI
IDE	2 ATA/33/66/100 (до 4-х ATAPI-устройств)			2 ATA100 Bus Master IDE (до 4-х ATAPI-устройств)	2 ATA33/66/100 (до 4-х ATAPI-устройств) Поддержка LS-120/ZIP/ ATAPI CD-ROM	ATA/33/66/100
Форм-фактор	ATX, 30,5 x 24 см		ATX, 30,5 x 23,2 см	ATX, 24,5 x 24 см	ATX, 22 x 30,5 см	Расширенный ATX корпус

Большинство плат оборудованы слотом AGP Pro, позволяющим использовать профессиональные графические карты с повышенным энергопотреблением. Рассмотрим подробнее материнскую плату Super P4DCE с чипсетом Intel 860, имеющую следующие технические характеристики:

1.Назначение – настольные системы класса High-end и интернет – приложения.

2.Поддержка двух 603-штырьковых процессоров Intel Pentium 4 Xeon 1.5-2.0 + ГГц.

3.Частота обмена по шине FSB 400 МГц.

4.Двухканальная память RDRAM 600/800 МГц до 2 Гб.

5.Два 64-разрядных 66 МГц слота PCI.

6.Четыре 32-разрядных 33 МГц слота PCI.

7.Один слот AGP Pro 4x, 1.5 В.

8.Управление питанием ACPI/APM.

9.Расширенный ATX (12 x 13") корпус Super Micro SC760P4.

10.Двухканальные EIDE-порты с поддержкой Ultra DMA со скоростью передачи данных до 100 Мб/с, с поддержкой режимов UDMA, Mode 5, PIO Mode 4 и ATAPI. Слоты VRM (регулятор напряжения).

11.Аудио AC97'.

12.Сетевой контроллер LAN Intel 82559.

13.Четыре порта USB.

14.Два последовательных порта стандарта 16550 UART.

15.Один параллельный порт ECP/EPP.

16.Один флоппи-порт для дисковода, один инфракрасный порт.

17.Режим удаленной настройки и управления ПК по сети Wake-on-LAN.

18.Диапазон напряжения на ядре процессора 1,1-1,85 В.

19.Управление электропитанием ACPI/APM и DMI.

20.Пробуждение RTC (Real-Time Clock). Аппаратная антивирусная защита BIOS 4 Мб Flash ROM.

Для изготовления компьютера с чипсетами i845, i850, i860 и процессором Pentium 4 необходимо системные платы размешать в корпусе, совместимом со спецификацией ATX 2.03, по двум причинам. Во-первых, ввиду того, что радиаторы для Pentium 4 имеют большие размеры, масса которых может достигать 450 г, требуется специальный механизм, крепящий радиатор при помощи четырех болтов непосредственно к корпусу. Вторым требованием спецификации ATX 2.03 является наличие у блока питания дополнительного четырехжильного кабеля питания, подключаемого к системной плате, с напряжениями 12 и 5 В. Дополнительное питание необходимо для процессора Pentium 4, имеющего повышенное энергопотребление.

В отличие от других чипсетов [22], используемых для разработки компьютеров с процессорами AMD Athlon или Duron, чипсеты Ali MAGiС 1, AMD-760 [6] поддерживают только DDR память.

В чипсете AMD-760 северный мост AMD-761 лишен недостатков своего предшественника – северного моста AMD-751. В нем контроллер системной шины обрел поддержку частоты 266 МГц, а контроллер памяти работает с DDR-памятью на частотах 200 (PC1600) или 266 МГц (PC2100), и, наконец, последнее отличие от чипсета AMD-750 – поддержка AGP 4x.

Единственный недостаток чипсетаAMD-760 – отсутствие высокоскоростной шины передачи данных между мостами. Хотя PCI шина с пропускной способностью в 133 Мб/с способна обеспечить южный мост AMD-766 данными без задержек и даже справится с нагрузкой более функционального VIA 686, но южные мосты нового семейства от VIA, широко используемые для построения ЭВМ с МП AMD, с шиной V-Link VIA с поддержкой шестиканального звука AC'97 и нового слота ACR требуют вдвое большей пропускной способности – 266 Мб/с.

Организация компьютера на чипсете AMD-760 и процессором Athlon или Duron показана на рис. 5.12. Она внешне имеет много общего с организацией компьютера на чипсете i850 с процессором Pentium 4, однако не совместима электрически и логически.

Рис. 5.12. Организация компьютера на чипсете AMD-760

Следующим шагом развития ЭВМ следует ожидать широкое применение архитектуры 64-разрядных вычислений с использованием процессоров нового поколения.