Тема 4. Структурные модели современных системных плат

Лекция 9. Шины обмена информацией в ЭВМ

Для обмена данными между устройствами процессор использует различные шины, состоящие из каналов связи, соединяющих блоки ЭВМ. Системная шина обычно включает в себя шины данных, адреса и управления, и обеспечивает ввод/вывод (I/O) информации. Так как ЭВМ состоит из узлов с различным быстродействием, то обмен между устройствами происходит по шинам с разными характеристиками и назначением. Наиболее быстродействующей является системная шина процессора, которая связывает его с внешним кэш и контроллером памяти/шины. Обмен данными по этой шине происходит с наибольшей частотой (например, для 66,6 Гц), при которой надежно работают элементы внешнего кэш и схема контроллера памяти. Под управлением процессора его шина переключается через контроллер для обмена информацией с ОЗУ или локальной шиной, как показано на рис. 3. Основное ОЗУ обычно строится на более дешевых микросхемах памяти с большей емкостью, но меньшим быстродействием, чем внешний кэш. Локальная шина взаимодействует через адаптеры также с медленными устройствами (контроллеры гибких и жестких дисков, звуковые платы), поэтому скорость обмена процессора через контроллер с основным ОЗУ и локальной шиной замедляется. Для повышения быстродействия ЭВМ при свободной шине процессора внешний кэш заполняется данными из основного ОЗУ. Или по каналам основное ОЗУ, используя режим DMA (канал прямого доступа), заполняется данными от различных устройств через локальную шину.

Компьютеры с локальной шиной PCI, подключаемой к шине процессора через ИС “моста”, появились в 1993 г. Иногда шину PCI называют "антресольной", т.к. она кроме шины процессора реализует дополнительный уровень обмена данными с частотой 33,3 или 66,6 МГц и разрядностью 32 или 64. Скорость обмена в данном случае может достигать 33 МГц x 64 бит = 264 Мб/с. Преимуществом второго уровня является то, что шина PCI работает параллельно с шиной процессора, используя DMA-канал при доступе к основному ОЗУ.

К основной шине PCI через разъемы (слоты) могут подсоединяться дополнительные платы. Так, на системной плате INTEL 430VXPCI/EIDE с МП Pentium и чипсетом i430VX имеется 4 слота расширения с режимом PnP, за которыми зарезервированы 4 сигнала прерывания INT (A, B, C, D). С помощью этих сигналов подключаемые устройства осуществляют обмен информацией с блоками ЭВМ используя шину PCI. Примером таких устройств могут быть устройства обработки телевизионных изображений, графические адаптеры с видеопамятью до 2 Мб и более, мультимедийные и другие устройства, требующие обмена информацией со скоростью нескольких десятков Мб/с.

Через интерфейс шины расширения к PCI-шине подсоединяется обычно "медленная" 32/16-разрядная системная шина EISA или ISA (8,33 МГц). К этой шине подключаются последовательные порты обмена информацией COM1 и COM2. Обычно порт COM1 используется для подключения "мыши". Последовательным портам COM1/COM2 ставятся в соответствие адреса 3F8h/2F8h и линии прерываний 4/3 контроллера прерываний 8259. Стандарт последовательного порта RS-232C использует асинхронный приемопередатчик ИС 16550А, осуществляющий преобразование 16-разрядного параллельного кода в последовательный и наоборот. Компьютеры могут обмениваться информацией с помощью последовательных портов используя кабель или модем. К шине EISA также подключается параллельный порт LPT1, через который с помощью программ-драйверов осуществляется вывод текстовой и графической информации на принтер. Также на системной плате имеются слоты расширения (до четырех) ISA/EISA, к которым могут подсоединяться дополнительные устройства через соответствующие адаптеры. Основные внешние носители информации НЖМД и CD-ROM подключаются к локальной шине SCSI через соответствующий адаптер или к шине EISA через разъемы EIDE на системной плате – посредством 40-жильных ленточных кабелей.

Обычно НЖМД, с которого осуществляется загрузка DOS, является первым (Master), а CD-ROM – вторым устройством EIDE (Slave), которое подсоединяется ко второму разъему. Кроме адаптера к шине SCSI может подключаться до семи устройств, которым присваиваются номера (SCSI ID). В большинстве компьютеров можно устанавливать до четырех основных адаптеров, а общее число устройств (НЖМД, CD-ROM, сканер и др.) достигает 28.

Внешний кэш

Рис. 3. Структура ЭВМ на базе Pentium

Клавиатура на 101/105 клавиш обычно подключается в компьютере непосредственно через свой микроконтроллер (ИС 8048) к универсальному периферийному интерфейсу (ИС 8042), установленному на системной плате, который выдает прерывание IRQ1 микропроцессору через порт I/O с адресом 60h. Через порты 60, 61, 64h процессор осуществляет обмен данными с клавиатурой.

Для совместного использования программ, данных и электронной почты компьютеры могут быть объединены в локальную сеть. В сети один или несколько компьютеров выполняют функции ведущих (файл-серверы) – они хранят основной объем информации (базы данных, программы) на накопителях большой емкости (20 Гб и более). Остальные компьютеры в сети называются рабочими станциями. Сети могут иметь различную конфигурацию. Связь между компьютерами на небольшие расстояния осуществляется с помощью коаксиальных кабелей, которые через разъемы подключаются к сетевым адаптерам, установленным через слоты на PCI-шине. Плата сетевого адаптера "прослушивает" все сигналы на линии и выбирает сообщения, предназначенные ей. При необходимости адаптер передает свою информацию файл-серверу, когда появляются паузы в передаче информации.

В качестве новых шин на системных платах с процессором Pentium I/II/III/4 используется шина AGP, которая была создана фирмой Intel на базе стандарта 64-разрядной шины PCI R2.1 для уменьшения количества дорогой памяти непосредственно на видеокарте и быстрого доступа к дешевой системной памяти. Шина AGP имеет единственный AGP-порт. Шина AGP работает значительно быстрее шины PCI за счет увеличения рабочей частоты и разрядности. Новые видеоадаптеры на AGP шине позволяют существенно увеличить обработку 2D и 3D графики за счет большой пропускной способности шины, составляющей 500Мб/с. Шина AGP по сравнению с PCI имеет особенности:

- шина способна передавать два блока (AGP 2x) или четыре блока (AGP 4x) данных за один 66 МГц цикл;

- устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI адрес и данные передаются по одним и тем же линиям);

- конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.

Шина AGP 1.0. имеет два основных режима работы: Execute и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием (execute) копируются в локальную память карты. Таким образом, AGP действует в качестве "тыловой структуры", обеспечивающей своевременную передачу текстур из ОЗУ в локальную память. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кб, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо предусмотреть механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса 4 килобайтных блоков в системной памяти. Эта задача выполняется с использованием специальной таблицы GART, расположенной в памяти.

В 1998 г. спецификация шины AGP получила дальнейшее развитие (Revision 2.0). В результате появилась возможность осуществлять 4 транзакции (пересылки блока данных) за один 66-мегагерцовый такт (AGP 4x), что соответствует пропускной способности шины 1 Гб/с. Основные узлы компьютера, которые располагаются на системной плате с процессором Pentium II/III и с шинами AGP, PCI и ISA, показаны на рис. 4.

- интерфейс IDE (ATA-3) с контроллером Ultra DMA со скоростью обмена 33,3; 66,6 или 100Мб/с без участия МП;

- универсальная последовательная шина USB, подключаемая к шине EISA для обслуживания одновременно нескольких периферийных устройств (клавиатуры, мыши, CD-ROM, принтеров и модемов) через один или два разъема со скоростью обмена 12 Мб/с;

- последовательный скоростной интерфейс IEEE 1394, подключенный к PCI через плату расширения FireWire для обмена с цифровыми видеокамерами и устройствами со скоростью до 400 Мб/с.

Рис. 4. Организация компьютера с процессором Pentium II/III

Лекция 5. Системная плата с процессором Pentium

Многослойная системная (материнская) плата является основой, на которой размещается процессор, ОЗУ, сверхбольшие ИС (чипсет), платы расширения, разъемы, ИС и интерфейсы периферийных устройств, которые объединяются в единую систему с помощью печатного монтажа. ИС, разъемы, переключатели на ней устанавливаются в определенные места и распаиваются по весьма точной технологии на автоматической линии. Внешний вид системной платы с МП Pentium показан на рис. 5.

Наряду с разъемом для подключения источника питания на системной плате находятся разъемы для подключения периферийных устройств, а также панель ZIF для установки процессора, разъемы для расширения памяти (как правило, это четыре 72-контактных разъема для модулей SIMM и от одного до четырех разъема для 64-разрядных 168-контактных модулей DIMM), кэш второго уровня при медленной DRAM. На системной плате также распаяны ИС чипсета, контроллер I/O, CMOS RAM, а также несколько регуляторов напряжения, позволяющих изменять напряжение питания МП. Иногда системные платы оснащаются SCSI-адаптером и интерфейсом с PS/2-мышью.

Тактовый генератор системной платы Pentium обычно обеспечивает частоту синхронизации 66,6 МГц, а МП с Pentium II – IV имеют частоту синхронизации 100 и 133 МГц и диапазон внутренних частот МП обеспечивается умножением. Чипсет обеспечивает взаимодействие основных компонент ЭВМ: МП, ОЗУ, кэш-2, НЖМД через системные шины FSB, PCI и ISA. Обычно он состоит из двух СБИС: системного контроллера и сопряжения шины процессора – PCI-ISA (мост) и ИС подключения EIDE интерфейса, а иногда контроллера клавиатуры и таймера реального времени. В качестве основного чипсета Pentium использовались ИС Intel Triton II двух разновидностей THX (82430HX – 2 ИС) и TVX (82430VX – 4 ИС), а в качестве основной памяти на платах устанавливались модули SIMM или DIMM на EDO DRAM емкостью до 64 Мб и кэш-2 на статических ИС ОЗУ емкостью 256 или 512 Кб. Динамические ИС SDRAM устанавливались на системных платах с Pentium II, где эффективность их в быстродействии обмена становилась очевидной на частоте 83 или 100 МГц с чипсетом 440LX. Системные платы имели 3 размера, удовлетворяющие стандарту ЭВМ АТ. Это обычный размер 305 х 350 мм, Baby – 220 х 250 мм и Mini – 220 х 250 мм.

С целью улучшения пользовательских и технических характеристик ЭВМ новый стандарт ATX фирмы Intel с 1995 г. [4] рекомендует платы размером 12 х 9,6 и 11,2 х 8,2 (Mini ATX) дюйма. На новой плате Bаby элементы смещены на 90°, их расположение показано на рис. 6

В соответствии с новым стандартом, МП располагается непосредственно в зоне действия вентилятора блока питания. Разъемы имеют доступность для пользователя, а платы расширения могут быть установлены длинноразмерными в любой из слотов. АТХ блоки питания имеют напряжения питания 5, 12 и 3,3 В. Благодаря новым блокам питания ATX существенно расширились возможности управления питанием компьютера. Появилась возможность программного управления питанием компьютера.

Системная плата процессора Pentium III

Назначение системной платы процессора Pentium III – интеграция элементов и узлов ЭВМ в единую систему путем печатного монтажа. Платы изготавливаются многими фирмами, обычно соответствуют стандарту АТХ и обеспечивают функциональную преемственность, заключающуюся в возможности подключения ранних моделей периферийных устройств. Так, системные платы фирм Acorp, ASUSTeK, Intel, «Формоза», соответственно именуемые Acorp 6M 810C, ASUS MEW, Intel CA810, Formoza i810F, изготавливаются на основе чипсета Intel 810. Каждая плата имеют в своем составе 3-5 слотов шины PCI, 1 слот AMR, 2 слота DIMM, поддерживает ОЗУ 512 Мб, Ultra DMA 33/66 и системную шину 66/100 МГц, 2 порта USB, имеет разъемы PS/2 для подключения мыши, клавиатуры, а некоторые платы содержат несколько слотов шины ISA. Аналогичную структуру и функциональное назначение имеют и другие платы, построенные на базе чипсетов 440 LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810Е, 810-L, 810-DC100, 820, 450 GX/NX, Apollo Pro+/133/133+ от VIA, Sis 630, Sis 5600/5595 и тд. [22].

Рис. 7. Расположение системной платы в корпусе АТХ

Рассмотрим в качестве примера более подробно плату Intel JN440BX, изготовленную с чипсетом Intel 440BX. Системная плата Intel JN440BX, поддерживающая процессоры Pentium III и Pentium II с тактовой частотой процессорной шины 100 МГц, выполнена на базе набора Intel 82440BX. Наличие в нем встроенного сетевого адаптера, способного работать со скоростью 100 Мб/с, встроенных графической и аудиоподсистем, режима удаленного включения Wake-on-LAN, поддержка до 384 Мб основной памяти в низкопрофильном форм-факторе NLX явилось основой для создания настольных ПК. Системная плата JN440BX содержит высококачественный встроенный аудиопроцессор Crystal 4235 на шине ISA и встроенный графический акселератор ATI Rage Pro Turbo на шине AGP, способный эффективно воспроизводить двумерную и трехмерную графику. Она полностью удовлетворяет спецификации интерфейса DMI, обеспечивающей повышенный уровень сохранности данных. Поддержка шины USB обеспечивает совместимость с новейшими высокопроизводительными и специализированными периферийными устройствами.

Характеристики системной платы JN440BX:

- форм-фактор соответствует стандарту NLX версии 1.2;

- три 168-контактных разъема для установки модулей памяти DIMM;

- поддерживает до 384 Мб синхронной оперативной памяти SDRAM с рабочими частотами 66 и 100 МГц и модули памяти с ECC;

- контроллер PCI/AGP типа Intel 82440BX;

- интегрированный контроллер PCI на базе PIIX4E, поддерживающий режим мастера шины;

- двухканальный интерфейс EIDE, один интерфейс НГМД;

- таймер реального времени;

- автоматическое определение тактовой частоты шины процессора;

- контроллер ввода-вывода SMC FDC37C777;

- поддержка стандартных функций ввода-вывода: 1 параллельный порт, 2 последовательных порта, контроллер клавиатуры и мыши;

- 1 интерфейс последовательной универсальной шины USB на системной плате, поддержка второго интерфейса на переходной плате;

- аудиопроцессор Crystal Audio 4235;

- режим полного дуплекса, обеспечивающий одновременную запись и воспроизведение звука под Windows;

- поддержка функций включения, выключения и настройки систем при помощи BIOS;

- совместима со спецификациями PC'97;

- схема для поддержки внешнего громкоговорителя;

- поддержка дополнительного разъема Audio NLX;

- встроенный 64-разрядный графический акселератор ATI RAGE PRO TURBO на шине AGP, поддерживающий трехмерную графику;

- видеопамять объемом 4 Мб типа SGRAM с рабочей частотой 100 МГц;

- воспроизведение двухмерной графики в режимах 8/16/24/32 бит/пиксель и трехмерной графики в режимах сжатия текстур;

- разъем AGP поддерживает полностью конвейеризованные режимы и адресацию на частотах 66 и 133 МГц;

- адаптер локальной сети для скоростей 10 и 100 Мб/с;

- контроллер удаленного включения;

- поддержка стандарта PnP;

- расширенное управление энергопотреблением APM;

- конфигурирование и управление энергопотреблением ACPI.

Системные платы с чипсетом Intel 440BX обычно имеют память SDRAM, гнезда Slot1 и AGP-порт. Slot1 – разъём с 242 контактами, предназначен для установки процессора, размещённого в S.E.C.C. картридже. Внутри картриджа размещены кристалл процессора и чипы кэш-2 SRAM (до 512 Kб). На системной плате могут быть установлены 1 или 2 разъёма Slot1. Стандартная частота внешней шины равна 66,6 МГц и выше. Кэш-2 может работать на частоте, составляющей 1, 1/2 или 1/3 частоты процессора.

С применением новых чипсетов происходит постоянная интеграция отдельных узлов и интерфейсов в их структуру. Так, внешний кэш-2 теперь чаще размещается внутри МП, а менее скоростные узлы интегрируются в одну из СБИС чипсета. Поэтому содержание системной платы и ее конструкция полностью определяется МП, чипсетом, типом ОЗУ и разъёмами, которые обеспечивают подключение периферийных устройств компьютера и дополнительных плат расширения.

Лекция 6. Структура компьютера с процессором Pentium III

Структура компьютера существенно зависит от набора ИС (чипсета) и типа МП. Чипсет распаивается в соответствующих местах системной платы и состоит из двух или трех СБИС. Количество наборов интегральных схем СБИС для Pentium II/III многочисленно: Intel 440 LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810, 810Е, 810-L, 810-DC100, 815, 820, 450 GX/NX, Apollo Pro+/133/133+ от VIA, Sis 630, 640, Sis 5600/5595 и т.д. Характеристики наиболее широко применяемых чипсетов приведены в табл. 1.

Вслед за чипсетом Intel 440LX, с которым был впервые применен ускоренный графический порт AGP и поддерживалась память SDRAM, Intel производит набор логики Intel 440BX. Выпуск данного набора микросхем – это этап развития Slot1-систем, включающий наращивание частоты системной шины, которая уже на протяжении нескольких лет задержалась на отметке 66 МГц. Чипсет Intel 440BX был предназначен для системных плат с процессором Pentium II. Он поддерживает внешнюю частоту системной шины 100 МГц. На этой частоте работает, в частности, системная память. Собственно, в поддержке 100-мегагерцовой шины и заключается основное отличие чипсетов 440LX и 440BX. Характеристика Intel 82440BX AGPset (492-контактный контроллер памяти 82443BX (North) и IDE-контроллер 82371EB (South) – мост PIIX4):

- поддержка всех Slot1 процессоров Pentium III, Pentium II или Celeron;

- возможность поддержки режима SMP с двумя Pentium;

- поддерживается до 512 Мб SDRAM или 1024 Мб EDO DRAM;

- поддержка ECC, USB и частоты системной шины 66 и 100 МГц;

- временная диаграмма для EDO DRAM 5-2-2-2 и для SDRAM 5-1-1-1 (при внешней частоте 66 МГц); 64-битная ШД памяти;

- поддержка Ultra DMA и работа в режимах PIO-5/DMA-33;

- поддерживается синхронный интерфейс 33 МГц на шине PCI 2.1;

- соответствие PC97, AGP 1х/2x (66/133 МГц).

Чипсет Intel 440BX поддерживает кроме делителя 2 для PCI еще и делитель 3, который применяется на внешних частотах 100 МГц и выше, а также все процессоры Deschutes. Однако системную шину 100 МГц у чипсета i440BX используют только процессоры Pentium II 350, 400 МГц и выше.

Набор базовой логики постоянно обновляется в темпе производства новых процессоров и уже, например, в 2000 г. самый распространенный чипсет 440 ВХ AGPset, который выпущен для изготовления 100 млн ЭВМ, вытеснен новыми наборами ИС серий 810, 820, хотя на многих тестах он превосходит их по стабильности и производительности.

Таблица 1

Intel 810 – первый чипсет интегральных схем нового поколения. В отличие от бриджевой структуры 440 ВХ и VIA Apollo, которые строятся на двух интегральных схемах North и South, соединенных РСI – шиной, этот набор имеет высокоскоростную универсальную специальную шину, к которой подключаются интегральные схемы базового набора GMCH, ICH и FWH. Чипсеты Intel 810 и 810Е идентичны и работают с процессорами Intel Celeron, Pentium II, Pentium III с частотой синхронизации шины 66/100МГц. Они изготавливаются в виде трех ИС (хабов) GMCH, ICH и FWH. Отличие чипсета Intel 810Е от 810 заключается в том, что он может работать с частотой синхронизации шины 133 МГц, но при этом обмен с ОЗУ происходит на частоте 100 МГц. В наборе микросхем Intel 810E реализован уникальный механизм арбитража с зацеплением, обеспечивающий "гладкую" работу с любой процессорной шиной: 66, 100 и 133 МГц. Набор микросхем Intel 810E, протестированный и оптимизированный для работы с процессорами Celeron и Pentium III, и универсальная системная плата на его базе представляют собой единое решение структуры компьютера. Схема компьютера с Pentium III и чипсетом Intel 810 показана на рис. 8.

Ядром набора микросхем 810 является контроллер ОЗУ и AGP – GMCH.

Контроллер графической памяти 82810 GMCH (GMCHO без буферного видео ОЗУ 4Мб для дисплея и Ultra DMA 66) использует разработанную Intel графическую технологию динамической видеопамяти D.V.M.T. и программные драйверы. При этом для создания реалистичных двух- и трехмерных эффектов и изображений используется технология Direct AGP (интегрированный AGP). Контроллер AGP и ОЗУ GMCH поддерживает шину 66/100 МГц, осуществляет вывод информации на телеэкран и ЖК – панель с цифровым интерфейсом и порт цифрового видеовыхода. Для повышения качества программного воспроизведения DVD контроллер 82810 использует аппаратную компенсацию перемещений изображения, а базовая операционная система использует программные драйверы и интеллектуальный диспетчер памяти для поддержки ресурсоемких графических приложений порта.

Контроллер ввода/вывода 82801 ICH (ICHO до 4 слотов PCI) использует архитектуру ускоренного концентратора АНА, разработанную Intel для прямого обмена графической подсистемы и системной памяти с интегрированными контроллерами AC97 и IDE, сдвоенными портами USB и дополнительными платами на шине PCI. Архитектура ускоренного концентратора увеличивает производительность операций ввода/вывода, что позволяет повысить эффективность параллельной работы приложений мультимедиа со скоростью передачи 266 Мб/с, что в 2 раза производительнее шины PCI.

Интегрированный аудиоконтроллер AC97 обеспечивает универсальность и повышает качество воспроизведения звука при работе как программ, воспроизводящих звук, так и программ, реализующих функции модема, за счет использования ресурсов центрального процессора. Он поддерживает звуковые карты с AMR интерфейсом. ICH поддерживает интерфейсы PCI 2.2, IDE и Ultra DMA 33 и 66, а также USB и SMB контроллеры. Шина системного управления позволяет осуществлять дистанционный сетевой мониторинг платформ на базе набора микросхем 810E. Поддерживаемые спецификацией ACPI функции управления позволяют переводить ЭВМ в режим пониженного энергопотребления.

ИС FWH-хаб интегрированного программного обеспечения содержит BIOS, генератор случайных чисел RNG и выполняет функции обеспечения безопасности на программном и аппаратном уровне. Микросхема 82802 хранения микропрограмм FWH, имея системную и видео BIOS, уменьшает на системной плате количество микросхем энергонезависимой памяти. Она также содержит высокоэффективный аппаратный генератор случайных чисел RNG. Он позволяет усилить средства Internet стойкой криптографией, цифровыми подписями и безопасными протоколами передачи данных.

В 1999 г. тактовая частота процессоров Pentium возросла с 400 до 600 МГц, а быстродействие компьютеров возросло незначительно. Узким местом в обеспечении производительности ЭВМ по-прежнему оставалась скорость работы ОЗУ и пропускная способность системной шины.

Для поддержки Pentium IIIВ с внешней частотой 133 МГц и использования самой быстрой памяти RDRAM Intel с ноября 1999 г. выпускает чипсет Intel 820 по хабовой архитектуре на трех ИС MCH (Intel 82820), ICH (Intel 82801АА) и FWH (Intel 82802), выполняющих те же функции, что ИС чипсета Intel 810. Для подключения SDRAM к чипсету в дополнении к базовому набору используется четвертая ИС транслятор 82805АА. Чипсет Intel 820 использован в системной плате Intel CC820, оснащенной памятью RDRAM, гнездом Slot1 и AGP портом 4х. Она не предусматривает подключения МП Celeron и SDRAM менее 64 Мб. Использование в ЭВМ с Pentium III самой быстрой памяти RDRAM с чипсетом Intel 820 и частоты системной шины FSB 133 МГц, как показали испытания [22], дают повышение производительности даже по сравнению с i 440 BX и SDRAM, но не очень существенно. Чипсет i820 содержит:

1.Контроллер-концентратор памяти 82820 (MCH), который отвечает за функционирование интерфейсов центрального процессора, памяти DRAM и шины AGP. Контроллер MCH (82820) поддерживает работу одного процессора или двух процессоров (82820DP) и системной памяти объемом до 1Гб.

2.Контроллер-концентратор I/O 82801 (ICH), построенный на основе архитектуры ускоренного обмена AHA, предусматривающей прямое подключение графической подсистемы и системной памяти к встроенному контроллеру AC’97, контроллеру ATA66, двум портам USB и дополнительным картам PCI.

Рис. 8. Структура компьютера с Pentium III

3.Концентратор встроенного кода 82802 (FWH) содержит системную BIOS и BIOS графического контроллера, а также генератор случайных чисел RNG.

Улучшенная хаб-архитектура AHA Intel обеспечивает полосу пропускания 266 Мб/с – в два раза выше, чем шина PCI. Это дает возможность увеличить поток информации от контроллера ввода/вывода к контролеру памяти.

Чипсет i820 использует высокопроизводительную технологию системной памяти RDRAM. Два слота RIMM поддерживают до 512 Мб системной памяти. RDRAM обеспечивает пропускную способность системной памяти, оптимизирующую производительность процессора Pentium III и высокопроизводительного графического контроллера AGP. Протокол RDRAM поддерживает стандарты PC600, PC700 и PC800 RDRAM, что теоретически соответствует полосе пропускания 1.6 Гб/с для PC800 – в два раза больше, чем пиковая пропускная способность системы с 100МГц памятью SDRAM. Порт AGP обеспечивает скорость обмена данными с графическим контроллером свыше 1 Гб/с – в 2 раза производительнее, чем предыдущие платформы AGP.

Однако более эффективным и дешевым способом обеспечения производительности для Pentium III явилось использование виртуальных каналов обмена с ОЗУ VC SDRAM и частоты системной шины FSB 133 МГц и чипсета VIA Apollo Pro 133.

Чипсет VIA Apollo Pro 133 имеет «бриджевую» архитектуру, обрабатывает информацию на частотах 66/100/133 МГц и включает 2 ИС VT 82C693A и VT 82C686A. Изготовлен для МП Pentium Pro/II/III с частотой FSB шины 66/100/133 МГц (Celeron 66/100 МГц), с ОЗУ до 8 банков и до 1 Гб, VCM или PC 133 SDRAM, 2 порта USB и 5 PCI-устройств.

Чипсет i830 предназначен для мобильных компьютеров (ноутбуков) с процессором Mobile Pentium III (500 МГц, L2-256 Кб, 28 млн транзисторов, 0,18 мкм) или Mobile Pentium III Processor-М (изготовлен в 2001 г., 1200 МГц, L2-512 Кб, 44 млн транзисторов, 0,13 мкм) с низким энергопотреблением со скоростью передачи данных между микросхемами 266 Мб/с. Он поддерживает 1 Гб ОЗУ РС 133 SDRAM и системную шину 133 МГц. Имеет 3 порта вывода цифрового видеосигнала, 6 портов USB.

Чипсет i840 разработан специально для производительных многопроцессорных систем, в который входят 3 основных компонента:

- контроллер-концентратор памяти 82840 (MCH), который поддерживает графическую шину AGP 2х/4х со скоростью обмена данными до 1 Гб/с, два канала памяти RDRAM или SDRAM, работающие в связке, обеспечивают скорость обмена до 3.2 Гб/с;

- контроллер-концентратор I/O 82801 (ICH) построен на основе улучшенной хаб-архитектуры AHA, предусматривающей прямое подключение к MCH. ICH поддерживает 32-разрядную шину PCI, контроллеры IDE и 2 порта USB;

- концентратор встроенного кода 82802 (FWH) содержит системную и графическую BIOS, а также генератор случайных чисел RNG. RNG обеспечивает приложения действительно случайными числами, позволяющими усилить надежность шифрования, цифровых подписей и протоколов защиты данных.

К основным СБИС чипсета могут быть подключены:

- 64-разрядный контроллер-концентратор PCI 82806 (PCI, P64H) – поддерживает 64-разрядную шину PCI с частотой 33 или 66 МГц. P64H подсоединяется непосредственно к MCH в соответствии с улучшенной хаб-архитектурой Intel и обеспечивает выделенный высокоскоростной канал I/O.

- концентраторы-повторители памяти RDRAM 82803 (MRH-R) и SDRAM 82804 (MRH-S). MRH-R преобразует каждый канал памяти в два, эффективно увеличивая максимальный объем поддерживаемой памяти до 8 Гб.

Уникальная кэш-память с предварительной выборкой, встроенная в чипсет i840, оптимизирует потоки данных и позволяет элементам системы работать в максимальной степени параллельно.

Чипсеты системных 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 системных 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. 2. 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;

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.

Лекция 10. Организация компьютера с процессором Pentium 4 и Athlon

Компьютер с процессором Pentium 4, характеристика и структура которого рассмотрена в гл.II п.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. 3, 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 3

Организация компьютера с процессором Pentium 4 и с чипсетом i850 показана на рис. 9. 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. 4.

Таблица 4

Рис. 9. Организация компьютера на чипсете i850

Таблица 3 отражает особенности разработки системных плат на основе чипсетов AMD760, ALI MAGIC 1, i845, i850, i860. Представленные в таблице платы поддерживают процессоры AMD Athlon/Duron, Pentium 4. Большинство плат в зависимости от типа ОЗУ имеют или DIMM-разъемы для памяти типа SDRAM, или RIMM слоты для памяти фирмы Rambus. Все платы поддерживают режим Ultra DMA/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.

Большинство плат оборудованы слотом AGP Pro, позволяющим использовать профессиональные графические карты с повышенным энергопотреблением. Рассмотрим подробнее системную 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 чипсета AMD-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. 10. Она внешне имеет много общего с организацией компьютера на чипсете i850 с процессором Pentium 4, однако не совместима электрически и логически.

Рис. 10. Организация компьютера на чипсете AMD-760

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

Компьютеры с процессорами IА-64 и их развитие

В настоящий момент такие производители ПК, как Compaq, Dell, HP и IBM, поставляют машины на базе процессора Itanium, которые функционируют под управлением 64-разрядных операционных систем, находящихся на разных этапах разработки. Так, фирма HP предлагает потребителям свой оснащенный процессором Itanium сервер HP 9000 с готовыми версиями ОС Red Hat Linux и HP-UX Unix – собственной разработки, а также с первой 64-разрядной серверной версией ОС Windows Advanced Server Limited Edition корпорации Microsoft.

С модели Dell PowerEdge 7150 компания Dell начала выпуск одного из первых серверов на базе процессора Itanium 733 или 800 МГц. Itanium поддерживают большинство ОС фирмы Microsoft: Windows Advanced Server Limited Edilion, Windows Net и версия Windows XP 64-Bit Edition для рабочих станции. ЭВМ Dell 7150, сконфигурированная для работы в операционной системе Red Hat Linux, предназначена для трех основных категорий пользователей: администраторов огромных баз данных, инженеров, выполняющих научно-техниче­ские расчеты, и разработчиков ПО и софта для 64-разрядных платформ.

Модель 7150 выпускается в различной конфигурации: процессор Itanium 733 или 800 МГц; 2- или 4 Мб кэш третьего уровня; и до четырех 18 или 36 Гб дисков с контроллером Ultra3/QC SCSI с возможностью «горячей» замены. Две системные платы с четырьмя процессорами и 64 разъемами для модулей DIMM обеспечивают возможность расширения до 64 Гб па­мяти. Десять слотов PCI, восемь из которых 64-разрядные, рассчитанные на тактовую частоту 66 МГц и предусматривающие «горячую» замену, работают с тактовой частотой 33 МГц. Стандартно устанавливаемая PCI-плата содержит 2 последовательных и 1 параллельный порты, порт PS/2 для подключения клавиатуры, порт мыши, а также 2 порта USB. Выбор накопителей на сменных носителях ограничен 24-скоростным накопителем CD-ROM и LS120 Super Disk.

Дальнейшее развитие компьютеров IА-64 ожидается с появлением процессоров McKinley фирмы Intel и Clawhammer, Sledgehammer фирмы AMD.

McKinley будет иметь гораздо более высокое быстродействие по сравнению с Itanium на операциях с целыми числами и будет изготовляться по 0.13-мкм технологии. Ожидается, что первые модификации McKinley будут иметь тактовые частоты от 1 до 1,4 ГГц. В нем Intel усовершенствует архитектуру Itanium, внеся принципиальные изменения в конструкцию генератора тактовой частоты, иерархию кэшей, функциональные блоки и в ступени конвейеров. Модернизация системной шины приведет к увеличению пропускной способности при передаче кэшируемых графических данных.

Разработки AMD МП Clawhammer и Sledgehammer основываются на расширении набора команд х86 до 64 разрядов. Оба процессора будут изготовляться по 0,13-мкм технологии с тактовой частотой 2,5 – 3 ГГц. Процессор Clawhammer предназначен для одно- и двухпроцессорных конфигураций. Sledgehammer сможет выполнять многопроцессорную обработку с числом МП от 4 до 8. В обеих моделях будет реализована разработанная AMD технология х86-64 – расширение традиционного набора команд х86, призванное обеспечить выполнение 64-разрядных вычислений. Однако в них нет большого числа регистров, характерного для Itanium, что затруднит компили­рование и планирование.

По технологии 0,13 мкм фирмой Intel планируется выпустить 2 последующих микропроцессора с архитектурой IA-64: Madison и Deerfield. Последний будет на 30-40 % дешевле, а его производительность будет хотя и меньше чем у Madison, но выше, чем у Itanium. Затем планируется переход к технологии 0,1 мкм. Появление МП с возможным использованием многопоточной архитектуры следует ожидать не раньше 2004 г.

Возможно ли появление достойной альтернативы IA-64? В качестве альтернативы IBM предложила МП Power4, а фирма Sun – МП UltraSPARC. Не исключено, что могут появиться определенные шансы на союз отечественных разработчиков микропроцессора Elbrus E2K, сходного с IA-64 архитектурой, с теми или иными западными фирмами.