Chipset
Grupa specjalistycznych układów scalonych, które są przeznaczone do wspólnej pracy. Mają
zazwyczaj zintegrowane oznaczenia i zwykle sprzedawane jako jeden produkt.
W komputerach, termin chipset jest powszechnie używany w odniesieniu do
specjalistycznego układu scalonego lub zestawu układów płyty głównej komputera lub karty
rozszerzeń.
Wydajność i niezawodność komputera w znaczącej mierze zależy od tego układu. Układ ten
organizuje przepływ informacji pomiędzy poszczególnymi podzespołami jednostki centralnej.
W skład chipsetu wchodzą zazwyczaj dwa układy zwane mostkami:
Mostek północny odpowiada za wymianę danych między pamięcią a procesorem oraz
steruje magistralą AGP lub PCI-E.
Mostek południowy natomiast odpowiada za współpracę z urządzeniami wejścia/wyjścia,
takimi jak np. dysk twardy czy karty rozszerzeń.
Podstawowe układy występujące w chipsetach to:
sterownik (kontroler) pamięci dynamicznych
sterownik CPU
sterownik pamięci cache
sterownik klawiatury
sterowniki magistral, przerwań i DMA
Chipsety mogą również zawierać zegar czasu rzeczywistego, układy zarządzania energią,
sterowniki dysków twardych IDE, dysków elastycznych, sterownik SCSI, sterownik portów
szeregowych i równoległych.
Termin ten był również stosowany w latach 80. i 90. do oznaczania układów graficznych i
dz
więkowych w komputerach i w konsolach do gier, na przykład Commodore Amiga
Original Chip Set czy Sega System 16.
Chipset jest jednym z elementów decydujących o wydajności peceta. I to on określa
możliwości jego rozbudowania. Objaśniamy nowe technologie stosowane w chipsetach i
magistralach, opisując ich zalety.
Chipset i magistrale rozwijają się w błyskawicznym tempie. Kontroler pamięci staje się
częścią procesora, łącza typu punkt-punkt, takie jak HyperTransport, zastępują szynę Front
Side Bus, a łącza szeregowe przejmują spuściznę po porcie równoległym. Postęp w tej
dziedzinie widać najbardziej po rozwoju technicznym interfejsów graficznych (AGP, PCI
Express 1.1 i 2.0), serii procesorów (AMD i Intel, układy jedno-, dwu- i czterordzeniowe), a
także typów pamięci i ich częstotliwości.
Chipset na płycie głównej to centrala komunikacyjna w pececie. To on steruje przepływem
danych między wszystkimi podzespołami sprzętowymi komputera. Dokonuje przy tym
translacji poszczególnych protokołów transmisji danych w poszczególnych magistralach, a
ponadto synchronizuje różniące się od siebie częstotliwości taktowania i poziomy napięcia
wszystkich szyn komunikacyjnych. Dostęp do wielu parametrów chipsetu jest możliwy z
poziomu BIOS-u. Możesz tu włączać i wyłączać różne funkcje, a poza tym zmniejszać lub
zwiększać częstotliwość taktowania magistrali. Do największych producentów chipsetów
zaliczają się: Intel, AMD, NVIDIA, SIS i VIA.
Zasady działania
Chipset składa się z dwóch głównych elementów półprzewodnikowych (układów scalonych),
które z uwagi na swoje położenie w schemacie blokowym zyskały miano mostka północnego
(Northbridge) i mostka południowego (Southbridge). Wraz z pojawieniem się chipsetów z
serii Intel 800 stosowaną początkowo terminologię zastąpiły określenia Memory Controller
Hub (MCH) i I/O (Input/Output) Controller Hub (ICH). Poprzednio komunikacja między
mostkiem północnym i południowym odbywała się przez szynę PCI, jednak obecnie w
klasycznych architekturach chipsetów do procesorów Intela przeważają oddzielne, firmowe
szyny transmisji danych, np. Direct Media Interface (DMI) Intela, Mutiol firmy SIS czy V-
Link firmy VIA. Tymczasem w chipsetach do procesorów AMD z serii Athlon-64 (X2/FX) i
Phenom wymiana informacji między mostkiem północnym i południowym następuje z
udziałem magistrali systemowej HyperTransport.
W sektorze chipsetów zarysowują się dwie tendencje. Mostek północny traci jednostki
funkcjonalne na korzyść szybszego lub bezpośredniego przekazywania danych, podczas gdy
mostek południowy przejmuje coraz więcej zadań, za które wcześniej były odpowiedzialne
wyspecjalizowane elementy półprzewodnikowe.
Mostek północny
Mostek północny łączy ze sobą wszystkie podzespoły w pececie, które muszą szybko
przetwarzać i przesyłać dużo danych. Należą do nich procesor, pamięć operacyjna, karta
graficzna i - rzecz jasna - mostek południowy. Niemal we wszystkich procesach
komunikacyjnych bierze udział procesor, dlatego mostek północny znajduje się bardzo blisko
gniazda tego układu. Chodzi o to, aby zapewnić możliwie krótkie szyny transmisji danych.
Chipset przeznaczony na platformę Intel Centrino ze zintegrowanym układem grafiki.
W klasycznych chipsetach komputerów klasy PC procesor i pamięć operacyjna są połączone
z mostkiem północnym przez szynę Front Side Bus (FSB). Począwszy od serii Athlon 64
procesory AMD wykorzystują zamiast FSB łącze HyperTransport z częstotliwością
wzorcową. AMD przeniósł kontroler pamięci z mostka północnego do procesora. Dzięki temu
procesor i pamięć mogą błyskawicznie wymieniać się informacjami bez komunikowania się z
mostkiem północnym.
Mostek ten zawiera również łącze graficzne - w postaci szyn AGP albo szyn PCI Express. W
rozwiązaniach ze zintegrowanym modułem graficznym, stosowanych przede wszystkim w
notebookach i bardzo tanich pecetach, rdzeń graficzny, czyli jednostka Graphics Processing
Unit (GPU), znajduje się w całości w mostku północnym.
Mostek południowy
Jednostki funkcjonalne przetwarzające niewiele danych są podłączone do mostka
południowego. Zaliczają się do nich wszystkie urządzenia peryferyjne z wyjątkiem monitora -
czyli m.in. klawiatura, mysz, drukarka i skaner, a także twarde dyski, pozostałe napędy i
układ BIOS-u. Do tego dochodzą szyny PCI łączące chipset z gniazdami kart rozszerzeń (np.
kontrolera RAID). Mostek południowy staje się coraz bardziej rozbudowanym elementem
peceta. Oprócz mostka magistrali ISA (Industry Standard Architecture), a także kontrolerów
twardego dysku, RAID i USB w wielu wypadkach zawiera układ audio i układ sieciowy.
Szczególna uwaga należy się chipsetom typu nForce4 - w niektórych wariantach NVIDIA
przeniosła mostek południowy do północnego, mieszcząc cały chipset w jednym układzie
scalonym.
Systemy magistrali
Pojęcie magistrala (z ang. bus, czyli bidirectional universal switch) w mniemaniu informatyka
oznacza łącze, za pomocą którego komunikują się podzespoły sprzętowe komputera. W
odróżnieniu od łączy typu punkt-punkt (patrz dalej) nadajnik może przesyłać szyną dane do
więcej niż jednego odbiornika. Inaczej mówiąc - za pomocą magistrali mogą wymieniać się
danymi jednocześnie co najmniej dwa urządzenia. Nowoczesne kontrolery USB na przykład
sterują przepływem danych między 12 urządzeniami podłączonymi do magistrali USB.
Magistrala przesyła dane szeregowo lub równolegle, lecz obecnie zarysowuje się dominacja
rozwiązań szeregowych.
Magistrale równoległe
Do najważniejszych magistrali równoległych w pececie zaliczają się: Front Side Bus (FSB),
Integrated Drive Electronics (IDE) i Line Printing Terminal (LPT). Tylko Intel i VIA stosują
nadal FSB jako połączenie między procesorem i mostkiem północnym, w rozwiązaniach
AMD magistralę tę zastąpiło łącze dwupunktowe HyperTransport. Jednak w procesorach
wielordzeniowych FSB okazuje się wąskim gardłem. Dlatego również Intel planuje zastąpić
ją już w kolejnej generacji CPU łączem typu punkt-punkt. Nosi ono nazwę QuickPath .
Również interfejs IDE jest w odwrocie, pożegnał się z nim np. Intel, wprowadzając mostek
południowy ICH8. Co prawda, producenci płyt głównych wyposażonych w chipsety ICH8 i
ICH9 umieszczają na nich nadal oddzielny układ scalony kontrolera IDE, lecz należy to uznać
za ustępstwo na rzecz napędów optycznych. Najlepszy interfejs do twardych dysków to
obecnie SATA, a port LPT stał się rzadkością w nowoczesnych pecetach, bo drukarki i
skanery podłącza się w nich do portu USB.
Przyczynę stopniowego zanikania magistrali równoległych stanowią ich zasady działania, z
których powodu nie radzą sobie z gwałtownie wzrastającą ilością danych, które mkną torami
danych wewnątrz nowoczesnego peceta. Jak można się domyślić z nazwy, są one przesyłane
równolegle więcej niż jedną szyną.
Przykład. Twardy dysk IDE (nadajnik) przesyła po jednym bicie ośmioma równoległymi
szynami i kontrolerowi dysków w mostku południowym (odbiornik) zgłasza oddzielną szyną
sterowania, że wysłał prawidłowy bajt danych. W dalszej kolejności odbiornik formuje bajt z
otrzymanych ośmiu bitów i potwierdza nadajnikowi (znowu przez szynę sterowania) odbiór
pierwszego bajta danych. Dopiero po nadejściu tego sygnału, zwanego sygnałem uzgodnienia
(z ang. handshaking), nadajnik wysyła kolejny bajt danych.
Podnosząc częstotliwość taktowania, można, rzecz jasna, zwiększyć przepustowość tych
ośmiu szyn, jednak są fizyczne ograniczenia, których nie sposób ominąć. Po pierwsze, na
określonym poziomie częstotliwości dostępny przedział czasu jest za krótki na zrealizowanie
sygnału uzgodnienia bez opóz
nień. Po drugie, nie można dowolnie przyśpieszać tempa
przesyłania danych na magistrali, bo po przekroczeniu określonego poziomu pojawiają się
częstotliwości zakłócające, które prowadzą do sfałszowania przesyłanych sygnałów.
Częstotliwości te nie pozwalają dowolnie zwiększać liczby szyn do transmisji danych, aby w
ten sposób podnosić przepustowość magistrali. Na przykład w ostatniej generacji 80-
stykowych kabli wstęgowych IDE połowa z nich pełni funkcję przewodów masowych i
chroni przed impulsami zakłócającymi.
Magistrale szeregowe
Niemal wszystkie magistrale w obecnych pecetach transportują dane szeregowo. Do tej
kategorii zaliczają się np. interfejsy Firewire, SATA i USB. W transmisji szeregowej nadajnik
dzieli pakiet danych na poszczególne bity, po czym wstawia na początku i na końcu
wysyłanego pakietu bity startu i końca. W sekwencji bitów startowych nadajnik umieszcza
adres odbiornika i wysyła cały pakiet danych gęsiego (bit po bicie) jedną szyną.
Wszystkie urządzenia podłączone do tej magistrali odczytują adres odbiornika. Jeśli pakiet
nie jest przeznaczony dla nich, ignorują przesyłkę. Tylko uprawniony odbiornik przyjmuje ją,
znajduje bity startowe, po czym składa cały pakiet z następujących po nich bitów, aż dotrze
do bitów końca.
Ten sposób transmisji danych ma wiele zalet. Podzespoły sprzętowe uczestniczące w
przesyłaniu pakietów danych wymagają tylko jednego sterownika wyjściowego i tylko
jednego układu odbiornika. W ten sposób można ograniczyć szerokość pasma wymaganego
do sterowania i adresowania przesyłanych danych. Nadajnik wysyła poszczególne bity
danych jeden za drugim, a więc żaden z nich nie wyprzedzi innego - co jest możliwe w
magistralach równoległych. Dzięki temu nadajnik i odbiornik nie muszą wymieniać sygnałów
uzgodnienia.
A
ącze bezpośrednie HyperTransport na przykładzie układu Opteron Quad Core - procesor
komunikuje się z mostkiem północnym i z dwoma innymi czterordzeniowcami za pomocą
trzech łączy HT.
A
ącza typu punkt-punkt
Określenie "łącze typu punkt-punkt" w informatyce oznacza bezpośrednią szynę danych
między dwoma podzespołami sprzętowymi. W kartach graficznych już od lat stosuje się łącza
tego typu do wymiany danych z chipsetem i procesorem - za przykład wystarczą takie
rozwiązania, jak AGP (Accelerated Graphics Port) i PCI Express (Peripheral Component
Interconnect Express). W procesorach łącza dwupunktowe (np. HyperTransport) zastąpiły już
magistralę Front Side Bus (FSB) bądz
zastąpią ją (np. Intel QuickPath) w najbliższej
przyszłości.
W przeciwieństwie do takich magistrali, jak FSB, łącza typu punkt-punkt mają z góry
wyznaczonego nadawcę i odbiorcę danych. Dlatego nadawca nie musi opatrywać wysyłanych
pakietów danych adresem odbiorcy, ten zaś może darować sobie sygnał uzgodnienia (patrz
wyżej). W ten sposób można zaoszczędzić na szerokości pasma i uzyskać znacznie większą
częstotliwość taktowania, np. czterordzeniowy procesor AMD Phenom HyperTransport
osiąga maksymalną częstotliwość 1000 MHz, podczas gdy najwyższa częstotliwość FSB w
procesorach Intela to 400 MHz.
HyperTransport
Wraz z serią procesorów Athlon 64 AMD zastąpił w 2003 r. magistralę Front Side Bus
otwartym standardem przemysłowym o nazwie HyperTransport (HT). W każdym procesorze
AMD do komputerów stacjonarnych i przynależnym do niego mostku północnym na płycie
głównej umieszczono specjalny układ scalony o nazwie HT-Link. Pełni on funkcję zarówno
nadajnika, jak i odbiornika, wymieniając dane z drugim łączem za pośrednictwem dwóch
szyn o szerokości 16 bitów każda. Obie szyny HT są ekranowane względem siebie i
przesyłają dane tylko w jednym kierunku. Zależnie od typu procesora fizyczna częstotliwość
taktowania łączy HT sięga od 200 (w Athlonie 64) do 1000 MHz (w Phenomie). Transmisja
danych odbywa się tu wraz ze wzrastającym (sygnał jedynkowy) i z opadającym zboczem
sygnału (sygnał zerowy), a więc efektywna przepustowość łącza jest czterokrotnie większa
niż przepustowość fizyczna. Procesory AMD Opteron do zastosowań serwerowych są
wyposażone w trzy łącza HT, dzięki czemu w komputerach dysponujących kilkoma
podstawkami poszczególne CPU mogą się komunikować przez HT również między sobą.
Przyszłość i przeszłość - łącza SATA (z lewej) tuż obok niebieskiego gniazda IDE.
PCI Express
Transmisja danych odbywa się tu szeregowo przy użyciu od jednej do 32 równoległych szyn
zwanych torami (z ang. lanes). Każdy z nich ma do dyspozycji dwa elektrycznie ekranowane
przewody, więc może przesyłać dane jednocześnie w obu kierunkach. Tory są taktowane z
częstotliwością 1,25 GHz, a ich maksymalna przepustowość wynosi 250 (dotyczy standardu
PCIE 1.1) i 500 MB/s (dotyczy standardu PCIE 2.0). Zatem karty graficzne, które są
podłączone z reguły przez 16 torów, mogą teoretycznie odbierać i jednocześnie wysyłać dane
z maksymalną prędkością 8 GB/s.
QuickPath
Pod koniec 2008 roku Intel ma zastąpić magistralę Front Side Bus łączem dwupunktowym
QuickPath Interconnect (QPI), wprowadzając nową architekturę procesorów w seriach
serwerowych Xeon (Nehalem) i Itanium (Tukwila). Wariant Extreme układu Nehalem ma
wprowadzić technologię QuickPath również do CPU komputerów stacjonarnych - jednak
początkowo tylko najwydajniejszych modeli. Szerokość pasma stosowana w łączach
QuickPath będzie wynosić od 24 do 32 GB, a więc nawet w najgorszym wypadku osiągnie
poziom najszybszych obecnie łączy HyperTransport u konkurenta AMD. Ponadto układy
Xeon Nehalem mają być wyposażone w maksymalnie cztery łącza QuickPath.
Blokowy schemat klasycznej architektury chipsetu - mostek północny SiS 671FX połączony z
procesorem, kartą graficzną i pamięcią operacyjną, a także mostek południowy SiS 968 obsługujący
napędy i urządzenia peryferyjne.