Типовые шины соединения компонентов, используемые в современных компьютерах

Заметим, что в литературе часто подразделяют шины системной платы на шины расширения, связывающие устройства, расположенные на системной плате, и шины интерфейсные (шины расширения ввода/вывода), связывающие устройства, размещенные на системной плате, с периферийными устройствами компьютера.

В состав «северного моста» обычно включаются контроллеры системной шины, шины памяти и шины AGP (Accelerated Graphic Port) для связи с видеосистемой. Правда, в последнее время, для связи с видеосистемой, вместо шины AGP стали использовать более быстродействующую последовательную шину - PCI Express×16 Graphics. Кроме того, иногда, при связи северного и южного мостов через шину PCI, в состав «северного моста» включался и контроллер шины PCI. Иногда к этому списку добавляется еще и графический контроллер. Таким образом, эта микросхема отвечает за согласованную работу CPU, ОЗУ, видеосистемы и, еще совсем недавно, шины PCI.

Сначала дадим краткую характеристику шин, связанных с «северным мостом» чипсета.

Системная шина или шина процессора (иногда ее называют еще «фронтальной» шиной – FSB (Front Side Bus)), которая является самой быстродействующей шиной компьютера. Ширина ее шины данных для большинства современных персональных процессоров составляет 64 бита (8 байт).

Шина памяти. Наиболее распространенной шиной памяти в настоящее время, пожалуй, является шина DDR2 SDRAM. Ширина шины памяти равна 64 бита, а максимальная пропускная способность достигает 6,4 Гбайт/с. Следует иметь в виду, что пропускная способность системной шины и пропускная способность шины памяти должна быть одинаковой. В противном случае либо системная шина, либо шина памяти будет «тормозить» работу системы в целом.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port) – ускоренный графический порт.

Эта параллельная шина связывает видеоадаптер (видеокарту) видеосистемы с CPU и оперативной памятью компьютера. Отметим, что эта шина не является шиной расширения, как например шина PCI, а является специализированным портом подключения графического акселератора. Ширина шины 32 бит. Отметим, что шина AGP должна быть всегда быстрее шины памяти, иначе шина памяти будет замедлять скорость работы видеосистемы при обработке больших массивов графических данных.

Шина PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express).

В последних наборах микросхем, шина AGP заменяется более быстродействующей последовательной шиной PCI Express (PCIe). Производительность ее разновидностей выглядит следующим образом: PCIe×1 - 500 Мбайт/с; PCIe×16 → 8 Гбайт/с. При этом обмен информацией осуществляется одновременно в обе стороны, по 250 Мбайт/с и по 4 Гбайт/с, соответственно. (PCIe×1 физически представляет собой совокупность двух дифференциальных пар проводников, одна для приема, другая для передачи информации, но для увеличения пропускной способности PCI Express канала могут быть использованы дополнительные пары и, таким образом, образованы каналы PCIe×2, PCIe×4, PCIe×8, PCIe×16, и PCIe×32).

Внутренняя шина Chipset. В качестве внутреннего интерфейса – шины связывающей «северный» и «южный» мосты, как уже говорилось, раньше использовалась шина PCI, и такое соединение набора микросхем получило название мостовой архитектуры.

Однако, в последнее время, в связи с ее невысокой пропускной способностью, основным типом, выпускаемых на рынок ChipSet, стали наборы микросхем с концентраторной архитектурой. Разница между этими типами ChipSet заключается в том, что в последних, контроллер шин PCI включен в состав «южного» моста, а не «северного» моста и шина PCI обслуживает периферийные устройства. А передача данных между мостами осуществляется по специальной внутренней шине (Hub Interface), с более высокой пропускной способностью, чем у PCI-шины (на сегодня - до 2 Гбайт/с против 133 Мбайт/с). При этом, «северный» мост стал называться «главным концентратором», а «южный» - «концентратором ввода/вывода». (Впрочем, новой терминологии строго придерживается практически только ее автор – корпорация Intel; другие производители ChipSet, по-прежнему, чаще всего называют концентраторы мостами).

Так, например, фирмой Intel, для соединения главного концентратора и концентратора ввода/вывода в НМС производства Intel, разработана внутренняя шина DMI – Direct Media Interface. Что касается шины PCI, то для нее уготована роль шины контроллеров периферийных устройств, которую выполняла до недавнего времени постепенно вытесняемая из архитектуры компьютеров шина ISA (Industry Standard Architecture).

Заметим, что пропускная способность внутреннего интерфейса должна быть такой, чтобы, при параллельной работе, устройства ввода/вывода (PCI-адаптеры/контроллеры, жесткие диски, IEEE-1394 и USB – устройства и т.д.) не простаивали из-за задержек в обмене данными с главным концентратором («северным» мостом).

Рассмотрим теперь краткие характеристики периферийных шин, связанных с «южным мостом» чипсета.

В «южный мост» вошли контроллеры шины IDE (Integrated Drive Electronic – устройства со встроенным контроллером, в основном это HDD (Hard Disk Drive)), а также контроллеры клавиатуры и мыши PS/2, DMA (Direct Memory Access – прямой доступ к памяти), контроллеры прерываний и часов реального времени. Позднее, по мере развития архитектуры ПК, к этому стандартному списку добавились несколько контроллеров USB (Universal Serial Bus), сетевой MAC -контроллер (MAC – Media Access Control – управление доступом к среде передачи) и контроллер шины AC’97 (Audio Codec'97 – стандарт аудио-канала). В дальнейшем к «южному мосту» НМС стала подключаться шина LPC (Low Pin Count – шина с малым числом выводов). Эта шина разработана как замена шины ISA (Industry Standard Architecture), долгое время служившей для подключения периферийных низкоскоростных устройств. Появилась также шина SMBus (System Management Bus – последовательная специальная шина для связи процессора с внутренними устройствами, например, устройством теплоконтроля или специальной памятью процессорной информации). Иногда в «южный мост» встраивается контроллер Super I/O (обеспечивает поддержку низкоскоростных интерфейсов ввода/вывода – двух последовательных портов (в том числе инфракрасного порта), одного параллельного порта и интерфейса для подключения флоппи-дисков). В «южный мост» может быть включен, также, звуковой контроллер, а в последнее время – и контроллер шины FireWire.

Шина PCI. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение периферийных компонентов), представляет собой параллельную шину расширения. В современных системных платах с концентраторской архитектурой шину PCI отодвинули на периферию, не ущемляя ее в мощности канала связи с процессором и памятью, но и не нагружая транзитным трафиком устройства других шин. Шина PCI является синхронной – фиксация всех сигналов выполняется по положительному фронту сигнала CLK. Номинальной частотой синхронизации является 33 МГц. Начиная с версии 2.1, допускается повышение частоты до 66 МГц, при согласии всех устройств на шине.

Номинальная разрядность (ширина) шины – 32 бита, причем шина адреса и шина данных совмещены. Однако спецификация позволяет расширение разрядности до 64 бит. При частоте 33 МГц теоретическая пропускная способность достигает 132 Мбайт/с для 32 разрядной шины и 264 Мбайт/с для 64 разрядной; при частоте 66 МГц – 264 и 528 Мбайт/с соответственно. В современных компьютерах часто эта шина остается невостребованной.

Шина USB. USB – (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Шина USB относиться к последовательным шинам как и последовательная шина IEEE 1394 (FireWire – огненный провод), а также шина FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop – кольцо волоконного канала с арбитражем). Эти шины в последнее время являются наиболее перспективными для подключения к компьютеру периферийных устройств. Последовательные шины позволяют объединить множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. В последовательных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления – все протокольные функции приходится выполнять, пользуясь одной (в USB) или двумя (FireWire) парами сигнальных проводов или парой оптических волокон (Fibre Channel). Это накладывает отпечаток на построение шинного протокола, который в последовательных шинах строится на пересылки пакетов – определенным образом организованных цепочек бит. Пакет пересылается только целиком. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с локальными сетями передачи данных. Шины USB и FireWire обе обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 для FireWire), допуская коммутации и включение/выключение устройств, при работающей системе. По структуре топология обеих шин достаточно близка, но FireWire допускает большую свободу и пространственную протяженность. Обе шины имеют линии питания устройств, но допустимая мощность для FireWire значительно выше. Обе шины поддерживают технологию PnP (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Шина USB– ориентирована на периферийные устройства, подключаемые к PC. Изохронные передачи USB (т.е. передачи с постоянной средней скоростью) позволяют передавать цифровые аудио-сигналы, а шина USB 2.0 - способна переносить и видеоданные. Все передачи управляются централизованно, и PC является необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Адаптер USB входит в состав всех современных Chipset системных плат. (Первое время адаптеры USB 2.0 выпускались в виде карт PCI). Непосредственное соединение нескольких PC шиной USB не предусматривается, хотя выпускаются «активные кабели» для связи пары компьютеров и устройства концентраторы.

Шина FireWire. Шина FireWire (стандарт IEEE 1394) – последовательная шина, ориентированная на устройства бытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в домашнюю единую сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один. Принципиальным преимуществом FireWire является отсутствие необходимости в специальном контроллере шины (компьютере). Любое передающее устройство может получить полосу изохронного трафика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления – приемники «услышат» эту информацию.

Шина LPC. Последовательная шина LPC (Low Pin Count –малое число выводов) - имеет всего 7 обязательных сигналов. Этот интерфейс введен для подключения контроллеров ввода/вывода, ранее подключавшихся к отправленной в отставку шине ISA (Industry Standard Architecture). Интерфейс LPC предназначен, таким образом для локального подключения контроллеров НГМД, последовательных и параллельных портов, клавиатуры, аудио-кодека, BIOS, и т.п.

Интерфейс имеет 32 битную адресацию памяти, что обеспечивает доступ к 4 Гбайт памяти. 16 битная адресация портов обеспечивает доступ ко всему пространству 64К портов. При наличии буферов FIFO интерфейс наиболее выгодно использовать в режиме DMA. К шине LPC может прямо подключаться и флэш-память.

Шина IDE(ATA). Шина IDE – (Integrated Drive Electronics) или шина ATA(Advanced Technology Attachment for Disk Drive). Этот параллельный интерфейс был разработан еще в конце 90-х годов для подключения накопителей на жестких магнитных дисках. Особенностью его является размещение стандартного для АТ контроллера жесткого диска непосредственно на плате электроники накопителя с сохранением регистровой модели. Поскольку стандартный контроллер АТ позволял подключать до двух накопителей, эту возможность получил и интерфейс АТА. Однако достаточно универсальный набор сигналов позволяет подключать через этот интерфейс любое устройство со встроенным контроллером, которому в пространстве портов ввода/вывода достаточно того же набора регистров.

Шина SATA. (Serial ATA) – последовательный интерфейс для подсоединения жестких дисков. Преимуществом последовательной шины, как уже упоминалось, является увеличение быстродействия передачи данных и повышенная помехозащищенность, что позволило обеспечить длину соединений до 1 м, и заменить 80 жильные ленточные шлейфы 7 жильными тонкими кабелями. Кроме того, использование таких кабелей существенно упростило подключение дисков и обеспечило более рациональное размещение комплектующих в системном блоке.

Таким образом, «южный мост» отвечает за согласование работы устройств, объединяемых «северным мостом» с периферийными устройствами, работа которых характеризуется относительно низкими потоками информации. Конечно, подобное деление функций между «северным» и «южным» мостами является в значительной степени условным и может отличаться при использовании различных НМС

Дата добавления: 2015-10-26