11. Південний і північний міст. Розподіл функцій: керування системною платою; визначення характеристик пристроїв; організація інтерфейсу.

4.1. Чипсет

мере «взросления» компьютеров, функции чипсета постоянно расширяются

вменяются подходы к его построению. В задачу чипсетов для 80286/386 вхо-

ь:а увязка шины процессора с относительно несложным контроллером памяти

: заключение к этой связке шины (E)ISA, на которой располагались все устройства. Постепенно стала усложняться подсистема памяти — появился кэш на системной плате, а потом к нему добавился встроенный кэш процессора. Для 486-х процессоров производительности шины (E)ISA оказалось уже недостаточ¬но, и появились новые шины. VLB, как просто физически оформленная разъе¬мом системная шина процессора 486, особых хлопот чипсету почти не доставля¬ла. Однако появилась шина PCI, для которой пришлось строить мост от систем¬ной шины. Поначалу ее называли «пристроечной» (mezanine bus), но вскоре она надолго стала центральной шиной, вокруг которой компоновались все осталь¬ные элементы. Ее центральное место не оспаривалось, поскольку PCI имела вы¬сокую производительность — 132 Мбайт/с. Традиционно на схемах шину PCI изображают посередине, как экватор. Процессор и память (вместе с кэш-памя¬тью) изображают выше — «севернее», а шину ISA и все устройства, подключае¬мые к PCI и ISA, изображают ниже — «южнее» «экватора». Соответствующие части чипсета получили укоренившиеся названия северных (north) и южных (south). Созвучное слово серверный относится к чипсету, ориентированному на применения в компьютерах-серверах. Шинно-мостовая архитектура чипсетов просуществовала долгое время и пережила несколько поколений процессоров (от 2-го до 6-го). Уход вторичного кэша с системной платы на процессор (Р6 и Pentium 4 у Intel и К7 у AMD) несколько упростил северную часть чипсета — теперь не надо управлять статической кэш-памятью, а остается лишь обеспечи¬вать когерентность процессорного кэша с основной памятью, доступ к которой возможен и со стороны шины PCI.

Когда появился порт AGP, задачи северного моста усложнились: контроллеру памяти приходится работать уже на три фронта — ему посылают запросы процес¬сор^), мастеры шины PCI (и ISA, но тоже через PCI) и порт AGP. Пропускная способность AGP в режиме 2х составляет 533, а в режиме 4х — 1066 Мбайт/с, так что шина PCI по производительности стала уже второстепеной (напомним, что AGP — не шина расширения, а специализированный порт подключения графи¬ческого акселератора). С введением высокоскоростных режимов UltraDMA (ATA/ 66 и АТА/100) связь двухканального контроллера IDE с памятью через шину PCI стала уже слишком сильно нагружать эту шину. Предусмотренные возмож¬ности повышения производительности PCI используются редко: расширение раз¬рядности до 64 бет обходится слишком дорого (большое число проводников по¬рождает свои проблемы), а повышение частоты до 66 МГц для шины возможно, лишь если все ее абоненты поддерживают эту частоту. Достаточно установить одну «простую» карту PCI, и производительность центральной шины падает до начальных 133 Мбайт/с. Ответом на эти изменения в расстановке сил стал пере¬ход на хабовую архитектуру чипсета. В данном контексте хабы — это специа¬лизированные микросхемы, обеспечивающие передачу данных между подклю¬ченными к ним шинами.

Северный хаб чипсета выполняет те же функции, что и северный мост выше¬описанной архитектуры: он связывает шины процессора, памяти и порта AGP. Однако на «южной» стороне этого хаба находится уже не шина PCI, а высоко¬производительный интерфейс связи с южным хабом. Пропускная способность этого интерфейса составляет 266 Мбайт/с и выше, в зависимости от чипсета. Если чипсет имеет интегрированную графику, то в северный хаб входит и гра¬фический контроллер со всеми своими интерфейсами (аналоговыми и цифровыми интерфейсами диспелея, шиной локальной памяти). Чипсеты с интегриро¬ванным графическим контроллером могут иметь внешний порт AGP, который становится доступным при отключении встроенного графического контроллера. Есть чипсеты, у которых порт AGP является чисто внутренним средством под¬ключения встроенного контроллера, и внешний графический контроллер к ним может подключаться только по шине PCI.

Северный хаб (как и мост) определяет основные возможности системной платы.

ш Поддерживаемые процессоры — типы, частоты системной шины, возмож¬ности мультипроцессорных или избыточных конфигураций. Типы процес¬соров определяются протоколом системной шины, которых в настоящее время несколько:

□ шина Pentium процессоров для сокета 7, Super 7 (и сокета 5); частоты

50-100 МГц;

□ шина Р6 процессоров для сокета 8, слотов 1 и 2, сокета-370; частоты 66,

100, 133 МГц;

D шина EV-6 процессоров для слота А и сокета А; частоты 200, 266 МГц; а шина Pentium 4 для сокета-423; частота 100 МГц. в Типы памяти и частота работы шины памяти:

D DRAM (FPM, EDO, BEDO) с временем доступа 50-80 не;

□ SDRAM (PC66, РС100, РС133) с частотами 66-133 МГц;

□ DDR SDRAM (PC1600, РС2100) с частотами 100, 133 МГц (ожидается

и 200 МГц);

□ RDRAM (PC600, РС700, РС800) с частотами 300, 356 и 400 МГц.

■ Максимальный объем памяти. На него влияет ряд факторов:

□ число слотов под модули памяти и поддерживаемые объемы модулей

(допустимое число устанавливаемых модулей при работе на самой вы¬

сокой частоте шины памяти может оказаться меньше, чем число сло¬

тов);

□ максимальное количество «рядов» микросхем памяти (может ограни¬

чивать возможное число устанавливаемых двусторонних модулей).

■ Число каналов памяти — чаще всего один, но, например, в i750 для повы¬

шения пропускной способности применяются два канала RDRAM, в кото¬

рые должны быть установлены однотипные модули (как раньше пары

SIMM-72 для Pentium).

■ Возможность и эффективность применения разнородной памяти (напри¬

мер, DRAM+SDRAM) и модулей с разным быстродействием. В ряде слу¬

чаев разнородная память снижает производительность всей памяти, и не

всегда эта потеря окупается получаемым увеличением объема ОЗУ.

* Возможность чередования банков DRAM (у остальных типов чередование

банков внутреннее).

• Поддержка контроля достоверности памяти и исправления ошибок (пари¬

тет, ЕСС).

ш Наличие и возможности порта AGP:

□ поддержка режимов 2х, 4х;

п поддержка внеполосной адресации (SBA);

D поддержка быстрой записи (Fast Writes);

п доступность порта при отключении внутреннего графического адаптера.

ш Возможности системы управления энергопотреблением (ACPI или АРМ) — реализуемые энергосберегающие режимы процессора и памяти, SMM.

Фирма Intel для северной части использует следующие хабы:

ш МСН (Memory Controller Hub) — северный хаб (контроллер памяти, сис¬темной шины и обычно порта AGP);

и GMCH (Graphics Memory Controller Hub) — северный хаб со встроенным графическим контроллером;

ш МТН (Memory Translation Hub) — конвертор интерфейса RDRAM в SDRAM, вынужденная «заплатка» для чипсета i820, поддерживающего лишь слиш¬ком дорогую RDRAM (позволяет использовать модули РС100, но не РС133, однако вносит дополнительные задержки и снижает устойчивость работы системной платы);

т MRH-R (Memory Repeater Hub) — преобразователь одного канала RDRAM в два для наращивания памяти (обеспечения возможности установки боль¬шего количества модулей).

Северный мост плат для сокетов 5, 7 и Super 7 определяет также политику записи кэша, применяемые типы и быстродействие микросхем статической па¬мяти, возможный размер кэша и кэшируемой области основной памяти. Для со¬временных плат без кэша все эти параметры определяются процессором, а поли¬тику обратной записи поддерживают уже все платы.

Северный мост определяет и поддерживаемые частоты шины PCI (33 и 66 МГц), возможное количество контроллеров шины PCI (число пар сигналов арбитра PCI), способы буферизации, возможности одновременных обменов (см. п. 12.5). Север¬ный хаб на эти параметры уже не влияет, поскольку PCI подключается к южно¬му хабу.

Южный хаб чипсета обеспечивает подключение шин PCI, ISA (но уже не все¬гда), АТА (2 канала), USB, а также «мелких» контроллеров ввода-вывода, памя¬ти CMOS и флэш-памяти с системной BIOS. В южной части располагаются тай¬мер (8254), контроллер прерываний (совместимый с парой 8259 или APIC), кон¬троллер DMA для шины ISA и периферии системной платы. Если в чипсет ин¬тегрирован и звук, то южный хаб (мост) имеет контроллер интерфейса AC-Link для подключения аудиокодека, а то и сам аудиокодек. Поскольку шина ISA от¬правляется в отставку, для контроллеров ввода-вывода, ранее подключавшихся к шине X-BUS (это практически та же ISA), ввели новый интерфейс LPC. Он, как и следует из названия, имеет малое число линий (см. п. 12.7), что значитель¬но облегчает дизайн чипсета и системной платы. Флэш-память для хранения системной BIOS стали помещать в специальный хаб (Firmware hub), соединяе¬мый с южным хабом отдельной шиной (аналогичной LPC). Флэш-память может подключаться и прямо к шине LPC. Для подключения энергонезависимой памяти (EEPROM) хаб может иметь дополнительный последовательный интерфейс. Для обслуживания процессоров, имеющих дополнительную сервисную шину SMBus, а также для поддержки слота CNR (см. п. 4.2.4) хаб может иметь одно¬именный последовательный интерфейс. Этот же интерфейс может использоваться и для чтения идентификаторов модулей памяти (PC и SMBus — близкие род¬ственники, несколько отличающиеся набором команд). В южный хаб интегриро¬ванных чипсетов вводят и контроллер локальной сети (как правило, Ethernet).

Логически южный хаб представляется как набор виртуальных мостов и уст¬ройств, подключенных к главной шине PCI. Однако обмены данными с широко¬полосными устройствами (IDE, USB, АС'97) на внешнюю шину PCI все-таки не «выплескивают», иначе теряется смысл южного хаба.

Южный хаб (или мост) определяет следующие параметры системной платы:

ш параметры шины PCI (только для хабов):

D версия интерфейса;

□ частота (33 и 66 МГц);

□ допустимое количество контроллеров шины (влияет на число слотов);

ш параметры интерфейсов АТА:

а поддерживаемые режимы UltraDMA — ATA/33, ATA/66, ATA/100; D независимость каналов — электрическое разделение каналов, возмож¬ность одновременной работы двух каналов;

ш число портов и версию шины USB;

ш наличие интерфейса AC-Link;

s наличие шины ISA;

ш возможность эмуляции DMA на шине PCI (PC-PCI, DDMA);

ш возможности мониторинга состояния:

D число каналов измерения питающих напряжений;

□ число каналов измерения температуры;

а число каналов измерения частоты вращения вентиляторов.

Контроллеры гибких дисков, интерфейсных портов, клавиатуры, CMOS RTC могут входить в собственно чипсет, а могут быть реализованы и на отдельных «инородных» микросхемах. От них зависят следующие параметры системной платы:

ш наличие порта PS/2 Mouse;

ш режимы параллельного порта (стандартный, двунаправленный, ЕСР, ЕРР, поддержка FIFO и DMA);

« режимы последовательных портов (стандартом считается совместимость с 16550А и поддержка FIFO и DMA);

ш поддержка IrDA;

ш типы поддерживаемых дисководов (2,88 Мбайт поддерживают теперь по¬чти все контроллеры, но эта возможность не востребована дисководами и дискетами).

Как видно, в чипсете обеспечивается взаимодействие множества шин, боль¬шинство которых синхронные. Вопросы синхронизации решаются по-разному. У чипсетов для шины Pentium память всегда работала на частоте системной шины (60-100 МГц), а частота шины PCI (номинал 33 МГц) была к ней привязана с коэффициентом 1:2 или 1:3. При частоте системной шины, отличной от 66 или 100 МГц, шина PCI оказывалась либо разогнанной, либо приторможенной.

В чипсетах с портом AGP частоту шины памяти стремятся повысить, иначе память станет узким местом: к ней обращается акселератор с AGP, ведущие уст¬ройства PCI и, наконец, сам процессор. При этом у процессора может быть час¬тота шины всего 66 МГц (как, например, у процессоров Celeron). Для любителей разгонов полезно такое свойство чипсетов, как асинхронность — возможность относительно произвольного задания частот системной шины, шины памяти, пор¬та AGP, шины PCI. Заметим, что частота шин LPC и шины подключения хаба с BIOS (FWH) совпадает с частотой PCI (33 МГц), и разгон шины PCI повлечет за собой разгон и этих шин — поведение их абонентов на повышенных частотах может огорчить пользователя невозможностью разгона. Конечно же, здесь асин¬хронность условна — опорный генератор все-таки один, но коэффициенты для каждого домена синхронизации (группы тесно связанных узлов) задаются раз¬дельно. Таким образом можно из всех компонентов выжать максимум произво¬дительности.

На рис. 4.1 обозначены основные компоненты системной платы, связываю¬щие их шины и основные потоки данных современных системных плат. Здесь же указана пиковая пропускная способность шин этих компонентов при разных частотах. Подключение второго (и следующих) процессора Р6 и Pentium (если это возможно) не повышает общую производительность системной шины. Для процессоров Athlon ситуация иная — поскольку процессоры подключаются к хабу выделенными каналами, суммарная потребность в пропускной способности в двухпроцессорной шине удваивается. Для повышения пропускной способности памяти возможно применение второго канала, что и делается в чипсетах 1840 и i850 для RDRAM. Однако для памяти SDRAM и DDR RDRAM такое решение технически обходится дороже — слишком много линий интерфейса. Расшире¬ние шины PCI до 64 бит возможно с помощью специального хаба, подключаемо¬го к северному хабу (в чипсете i840 для этого имеется хаб Р64Н).

Чипсеты в значительной степени определяют свойства системных плат, вы¬полненных на их основе, но у разработчика плат всегда остаются возможности упростить плату и «испортить вещь». Так что системные платы, выполненные на одном и том же чипсете, могут иметь разные характеристики производительнос¬ти и диапазона поддерживаемых устанавливаемых компонентов (процессоров, DRAM и кэша). И конечно же, существенную роль в реализации всех полезных свойств чипсета играет BIOS и применяемые версии системных драйверов. Чип¬сеты ориентируются на разные применения системных плат, и функции, необхо¬димые для сервера, могут оказаться излишествами для офисного компьютера, а за излишества всегда приходится платить. Поэтому нельзя чипсеты выстроить по порядку от худшего к лучшему, они позиционируются в многомерном про¬странстве противоречивых требований. Сравнивать интегрированные чипсеты нужно не только по общим параметрам, но и по характеристикам графики, зву¬ка, адаптера локальной сети. Так, например, SiS630 имеет 128-битное графичес¬кое ядро и АС'97 с аппаратной реализацией ряда функций сигнального процес¬сора, a Intel 810E — 64-битное графическое ядро и АС'97 с простым контролле¬ром, обеспечивающим лишь обмен данными с памятью (функции сигнального процессора возлагаются на CPU, чтобы блок ММХ «не скучал»). Основные па¬раметры распространенных системных плат (и чипсетов) приведены в литерату¬ре [8]. Результаты тестирования и сравнения системных плат регулярно публи¬куются в периодических изданиях и в Сети, например, на сайте iXBT.com.

Микросхемы чипсета при инициализации во время теста POST программи¬руются по многим параметрам, часть из которых (константы) хранится в BIOS, а часть — в энергонезависимой памяти конфигурации, включающей ячейки CMOS и ESCD системы РпР. Таким образом, имеются программные способы как опти¬мальной настройки, так и вывода платы из строя записью определенных значе¬ний в энергонезависимую память. Эту запись производит утилита CMOS Setup, а также такие «экспансивные» операционные системы, как Windows 9x. Реаль¬ный случай из практики — в конце установки системой Windows 95 на систем¬ной плате с чипсетом Triton ОС была сделана запись в энергонезависимую па¬мять и инициирована перезагрузка, которая пройти не смогла — диск IDE, под¬ключенный к контроллеру системной платы, вдруг стал недоступным даже для автоматического определения параметров в Setup. Никакие ухищрения в Setup и обнуление CMOS не помогали — некорректные настройки «осели» в энерго¬независимой памяти. Спасло только перепрограммирование флэш-BIOS, при котором обнулилась и область хранения параметров — контроллер PCI IDE снова «ожил».