Энциклопедия PC

4.1. Чипсет 117

ми интерфейсами диспелея, шиной локальной памяти). Чипсеты с интегрированным 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 подключения встроенного контроллера, и внешний графический контроллер к ним можетподключатьсятолькопошинеPCI.

Северныйхаб(какимост) определяетосновныевозможностисистемнойплаты.

т Поддерживаемые процессоры — типы, частоты системной шины, возможности мультипроцессорных или избыточных конфигураций. Типы процессоров определяются протоколом системной шины, которых в настоящее времянесколько:

п шинаPentium процессоровдлясокета7, Super 7 (исокета5); частоты 50-100 МГц; а шинаР6 процессоровдлясокета8, слотов1 и2, сокета-

370; частоты66, 100, 133 МГц;

п шинаEV-6 процессоровдляслотаАисокетаА; частоты200, 266 МГц; D шинаPentium 4 длясокета-423; частота100 МГц. т Типыпамятиичастота работышиныпамяти:

a DRAM (FPM, EDO, BEDO) свременемдоступа50-80 не; п SDRAM (PC66, РС100, РС133) счастотами66-133 МГц;

D DDK SDRAM (PC1600, РС2100) счастотами100, 133 МГц(ожидается и200 МГц);

п RDRAM (PC600, РС700, РС800) счастотами300, 356 и400 МГц. »

Максимальныйобъемпамяти. Нанеговлияетрядфакторов:

ачисло слотов под модули памяти и поддерживаемые объемы модулей (допустимое число устанавливаемых модулей при работе на самой высокой частоте шины памяти может оказаться меньше, чем число слотов);

амаксимальное количество «рядов» микросхем памяти (может ограничиватьвозможноечислоустанавливаемыхдвустороннихмодулей).

»Число каналов памяти — чаще всего один, но, например, в i750 для повышенияпропускнойспособностиприменяютсядваканалаRDRAM, вкоторые должны быть установлены однотипные модули (как раньше пары

SIMM-72 дляPentium).

&Возможностьиэффективностьпримененияразнороднойпамяти(например, DRAM+SDRAM) и модулей с разным быстродействием. В ряде случаев разнородная память снижает производительность всей памяти, и невсегда этапотеряокупаетсяполучаемымувеличениемобъемаОЗУ.

кВозможность чередования банков DRAM (у остальных типов чередование банковвнутреннее).

»Поддержкаконтролядостоверностипамятииисправленияошибок(паритет, ЕСС).

118Глава 4. Системнаяплата

тНаличие и возможности порта AGP:

пподдержкарежимов2х, 4х;

пподдержка внеполоснойадресации(SBA);

пподдержка быстрой записи (Fast Writes);

адоступностьпортаприотключениивнутреннегографическогоадаптера.

и Возможности системы управления энергопотреблением (ACPI или АРМ) — реализуемые энергосберегающие режимыпроцессора ипамяти, SMM.

Фирма Intel для северной части использует следующие хабы:

т МСН (Memory Controller Hub) — северный хаб (контроллер памяти, системной шины и обычно порта AGP);

ш GMCH (Graphics Memory Controller Hub) — северный хаб со встроенным графическимконтроллером;

*МТН (Memory Translation Hub) — конвертор интерфейса RDRAM в SDRAM,

вынужденная «заплатка» для чипсета i820, поддерживающего лишь слишком дорогуюRDRAM (позволяетиспользоватьмодулиPC 100, нонеPC 133, однако вносит дополнительные задержки и снижает устойчивость работы системнойплаты);

»MRH-R (Memory Repeater Hub) — преобразователь одного канала RDRAM в

два для наращивания памяти (обеспечения возможности установки большего количества модулей).

Северный мост плат для сокетов 5, 7 и Super 7 определяет также политику записи кэша, применяемые типы и быстродействие микросхем статической памяти, возможный размер кэша и кэшируемой области основной памяти. Для современных плат без кэша все эти параметры определяются процессором, а политикуобратнойзаписиподдерживают ужевсеплаты.

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). Северный хабнаэтипараметры уженевлияет, посколькуPCI подключается кюжномухабу.

Южныйхаб чипсета обеспечивает подключение шин PCI, ISA (ноуженевсегда), АТА (2 канала), USB, а также «мелких» контроллеров ввода-вывода, памяти CMOS и флэш-памяти с системной BIOS. В южной части располагаются таймер (8254), контроллер прерываний (совместимый с парой 8259 или APIC), контроллер DMA для шины ISA и периферии системной платы. Если в чипсет интегрирован и звук, то южный хаб (мост) имеет контроллер интерфейса AC-Link для подключения аудиокодека, а то и сам аудиокодек. Поскольку шина ISA отправляется 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 значительно облегчает дизайн чипсета и системной платы. Флэш-память для хранения системной BIOS стали помещать в специальный хаб (Firmware hub), соединяемый с южным хабом отдельной шиной (аналогичной LPC). Флэш-память может подключаться и прямо кшинеLPC. Дляподключения энергонезависимой памя-

4.1. Чипсет 119

тн (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 одноименный последовательный интерфейс. Этот же интерфейс может использоваться и для чтения идентификаторов модулей памяти (PC и SMBus — близкие родственники, несколько отличающиеся набором команд). В южный хаб интегрированныхчипсетов вводятиконтроллерлокальнойсети(какправило, Ethernet).

Логически южный хаб представляется как набор виртуальных мостов и устройств, подключенных к главной шине PCI. Однако обмены данными с широкополосными устройствами (IDE, USB, АС'97) на внешнюю шину PCI все-таки не «выплескивают», иначетеряется смыслюжногохаба.

Южныйхаб(илимост) определяетследующиепараметрысистемнойплаты: « параметры шины PCI (только для хабов):

D версияинтерфейса; п частота (33 и 66 МГц);

D допустимое количествоконтроллеров шины(влияетначислослотов); » параметрыинтерфейсовАТА:

п поддерживаемые режимы UltraDMA - АТА/33, АТА/66, АТА/100; о независимость каналов— электрическое разделение каналов, возможность одновременнойработыдвухканалов;

т число портов и версию шины USB; * наличиеинтерфейсаAC-Link;

а наличиешиныISA;

«возможность эмуляции DMA на шине PCI (PC-PCI, DDMA); » возможностимониторингасостояния:

D числоканаловизмеренияпитающихнапряжений; D числоканаловизмерениятемпературы;

D числоканаловизмерениячастотывращениявентиляторов.

Контроллеры гибких дисков, интерфейсных портов, клавиатуры, CMOS RTC могут входить в собственно чипсет, а могут быть реализованы и на отдельных 4инородных» микросхемах. От них зависят следующие параметры системной платы:

» наличие порта PS/2 Mouse;

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

жрежимы последовательных портов (стандартом считается совместимость с

16550А и поддержка FIFO и DMA);

«поддержка IrDA;

жтипы поддерживаемых дисководов (2,88 Мбайт поддерживают теперь почти все контроллеры, но эта возможность не востребована дисководами и дискетами).

120 Глава4. Системнаяплата

Как видно, в чипсете обеспечивается взаимодействие множества шин, большинство которых синхронные. Вопросы синхронизации решаются по-разному. У чипсетов для шины Pentium память всегда работала на частоте системной шины (60100 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 устройства PCI и, наконец, сам процессор. При этом у процессора может быть частота 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, порта 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 асинхронность условна — опорный генератор все-таки один, но коэффициенты для каждого домена синхронизации (группы тесно связанных узлов) задаются раздельно. Таким образом можно из всех компонентов выжать максимум производительности.

На рис. 4.1 обозначены основные компоненты системной платы, связывающие 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 i840 и i850 для RDRAM. Однако для памяти SDRAM и DDK RDRAM такое решение технически обходится дороже — слишком много линий интерфейса. Расширение шины PCI до 64 бит возможно с помощью специального хаба, подключаемого к северному хабу(в чипсете i840 дляэтого имеется хаб Р64Н).

Рис. 4.1. Компонентыипотокиданныхнасистемнойплате

4.2. Компоненты: установкаиконфигурирование 121

Чипсеты в значительной степени определяют свойства системных плат, выполненных на их основе, но у разработчика плат всегда остаются возможности упростить плату и «испортить вещь». Так что системные платы, выполненные на одномитомжечипсете, могутиметьразные характеристики производительности 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, необходимые 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 пространстве противоречивых требований. Сравнивать интегрированные чипсеты нужно не только по общим параметрам, но и по характеристикам графики, звука, адаптера локальной сети. Так, например, S1S630 имеет 128-битное графическое ядро и АС'97 с аппаратной реализацией ряда функций сигнального процессора, a Intel 810E — 64-битное графическое ядро и АС'97 с простым контроллером, обеспечивающим лишь обмен данными с памятью (функции сигнального процессора возлагаются на CPU, чтобы блок ММХ «не скучал»). Основные параметры распространенных системных плат (и чипсетов) приведены в литературе [8]. Результаты тестирования и сравнения системных плат регулярно публикуются впериодическихизданияхивСети, например, насайтеiXBT.com.

Микросхемы чипсета при инициализации во время теста POST программируются 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 оптимальной настройки, так и вывода платы из строя записью определенных значений в энергонезависимую память. Эту запись производит утилита CMOS Setup, а также такие «экспансивные» операционные системы, как Windows 9x. Реальный случай из практики — в конце установки системой Windows 95 на системной плате с чипсетом Triton ОС была сделана запись в энергонезависимую память и инициирована перезагрузка, которая пройти не смогла — диск IDE, подключенный 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 энергонезависимой памяти. Спасло только перепрограммирование флэш-BIOS, при котором обнулилась и область хранения параметров — контроллер PCI IDE снова «ожил».

4.2. Компоненты: установкаи конфигурирование

Современные системные платы имеют ряд сменных или добавляемых компонентов. В процессе модернизации, или апгрейда (upgrade — повышение уровня), компьютеров часто меняют процессор, наращивают объем и повышают быстродействие ОЗУ и кэш-памяти, меняют версию BIOS. Эти действия обычно связаны с изменениями аппаратных и программных настроек, окоторых и пойдет речь.

122 Глава 4. Системнаяплата

4.2.1. Процессоры

Процессоры, установленные в компьютерах XT, AT-286 и АТ-386, обычно заменять не приходилось: выходят из строя они сами по себе крайне редко — скорее откажут другие компоненты системной платы, а замена процессора на более мощный обычно не предусматривалась. В этих компьютерах чаще приходится сталкиваться с установкой математического сопроцессора. Для этого следует установить микросхему сопроцессора в соответствующую колодку (обратив внимание на ключ) и установить признак сопроцессора в CMOS Setup. Некоторые версии BIOS не имеют специального параметра разрешения и автоматически обнаруживают его присутствие во время теста POST. В XT для включения сопроцессора необходимо было переключить соответствующий DIP-переключатель конфигурации. Начиная с процессоров 486, сопроцессор стал частью основного процессора (включая и микросхему Intel487, которая является комбинацией CPU+FPU).

Начиная с процессоров 486, процедура модернизации посредством замены процессора на более мощный стала традиционной. Системные платы стали выпускать с расчетом на различные модификации и тактовые частоты процессоров — получился своеобразный конструктор «собери сам». Процессоры стали устанавливать в стандартизованные ZIF-сокеты (Zero Insertion Force, колодка с нулевым усилием вставки), а затем и в слоты — щелевые двухрядные разъемы. Назначение выводов разъемов поначалу определялось процессорами-первопро- ходцами от фирмы Intel, а другие фирмы в своих процессорах выдерживали совместимость с этими сокетами. Начиная с процессоров К7, фирма AMD повела свою линию сокетов и слотов. Унификация расположения выводов процессоров одного класса и наличие конфигурационных переключателей на системных платах позволяет пользователю (даже не слишком подготовленному) легко заменять старые процессоры на более мощные.

Платы для симметричных мультипроцессорных систем (пятого и шестого поколений) имеют пару сокетов (слотов). В них устанавливают процессоры, пригодные для использования в таких конфигурациях. До недавних пор в мультипроцессорных системах применялись только процессоры фирмы Intel — конкурирующие фирмы (AMD, Cyrix и IBM) мультипроцессированием не занимались. Эту «традицию» нарушила фирма AMD своим новым процессором Athlon. Шина процессоров Р6 поддерживает непосредственное объединение до четырех процессоров (Pentium Pro и Хеоп), но на системных платах больше двух слотов обычно не размещают (не хватает места). В четырехпроцессорных системах чаще применяют двухпроцессорные модули, устанавливаемые в общую системную плату или кросс-плату. Следует помнить, что в симметричных мультипроцессорных системах внутренние частоты всех процессоров должны совпадать (внешняя частота у них одна, поскольку исходит от общего генератора синхронизации). Для этих целей лучше брать все процессоры с одним степпингом и одинаково устанавливать длянихконфигурационные джамперы.

Сокетыислоты

В «добрые старые времена» процессоров четвертого-пятого поколений их разработчики стремились к взаимной совместимости, причем не только программной, но и аппаратной. В любую системную плату можно было установить процессор из широкого спектра возможных — от Intel, AMD, Cyrix и прочих фирм.

4.2. Компоненты: установкаиконфигурирование 123

Для установки процессоров 486 предназначены сокеты типов 1, 2,3 и 6 (рис. 4.2). Сокет 1 имеет 169 контактов матрицы 17x17, сокеты 2,3 и 6 имеют матрицу 19x19, внешние ряды которой не используются процессорами в корпусах PGA-168 и 169. При этом три внутренних ряда контактов по назначению совпадают с разводкой выводовпроцессора486, ноимеютсмещеннуюнумерацию: ножкаА1 корпусов PGA168 и 169 попадает в гнездо В2 матрицы 19x19. Внешние ряды матрицы используются как дополнительные контакты питания процессоров Pentium OverDrive. Сокет 3 отличается от сокета 2 возможностью питания 3 В. Малораспространенный сокет 6 имеет питание только 3,3 В. В первых процессорах 486 применялся кэш только со сквозной записью (WT); сигналы, специфичные для WB-кэша, теоретически могут присутствовать (или отсутствовать) во всех этих типах сокетов. Поскольку выводы некоторых управляющих сигналов процессоров в корпусах PGA-168, PGA-169 и PGA-237 не совпадают, системные платы, поддерживающие разные модели, должны иметь джамперы для их перекоммутации.

Самый мощный процессор для этих сокетов — Ат5Х86-Р75, он же AMD-X5- 133: при частоте ядра 133 МГц имеет производительность на уровне Pentium-75, питание 3,3 В (или 3,45 В), но, к сожалению, работает на полную мощность не на всехсистемныхплатах.

Для установки процессоров с интерфейсом Pentium существуют три типа со-итов

— 4, 5 и 7. Интерфейс имеет 64-битную шину данных и 32-битную шину адреса, а также довольно простой протокол обмена, допускающий как одиночные, так и пакетные передачи данных. Пакетные передачи ориентированы на обмен данными между процессором и кэшированнои оперативной памятью, причем вторичный кэш располагается на системной плате. Интерфейс допускает простое объединение до двухпроцессоров на одной шине, новпланеорганиза-

124 Глава4. Системнаяплата

ции симметричных мультипроцессорных систем он уступает по эффективности интерфейсу процессоров Р6, изначально ориентированному на транзакции от многих контроллеров шины (процессоров). Однако в настольных компьютерах мультипроцессирование до сих пор массово не используется (это слишком дорого). Что же касается скорости обмена данными (пиковой), то она определяется произведением разрядности шины данных (в обоих интерфейсах — по 64 бит) и тактовой частоты. Оба интерфейса стартовали с тактовой частоты 66 МГц, но AMD первой ее официально подняла до 100 МГц — так появился сокет Super 7. Правда, в процессорах Р6 обмен процессора со вторичным кэшем системную шину не загружает, но лишь после того, как требуемая информация загружена в кэш через ту же шину. Атрибутом системной платы с сокетом Super 7 стал и порт AGP, так что теоретически на них с успехом могут устанавливаться все современные графические карты. Современные контроллеры IDE с режимом UltraDMA-33/бб, контроллеры памяти, шины USB ипорты(СОМиLPT) наплатах Super 7 практически не отличаются от своих собратьев на платах под слот 1, 2 и сокет-370. Такчторешающееслово— запроцессором.

Сокет4 предназначендляпроцессоровPentium первогопоколения(60 и66 МГц). Он имеет матрицу выводов 21x21 и напряжение питания 5 В. В нашей стране этот тип сокета широкого распространения не получил из-за дороговизны тогда еще новых процессоров; процессорыдляэтогосокетавыпускалатолькофирмаIntel.

Сокет 5 (рис. 4.3) предназначен для процессоров Pentium второго поколения с частотой до 100 МГц, у которых коэффициент умножения фиксирован (1,5) и в которых применяется одно напряжение питания — около 3,3 В. Выводы его матрицы размером 37x37 расположены в шахматном порядке. Из-за отсутствия разделения питания ядра и интерфейсных схем этот сокет приемлем не для всех процессоровсинтерфейсомPentium.

Сокет 7 с такой же матрицей (37x37) предназначен для процессоров Pentium второго поколения с более высокими частотами. Он позволяет задавать коэффициент умножения частоты сигналами BF[1:0], а если системная плата с этим сокетомрассчитана наприменение процессоров AMD, тоимеетсяисигналBF2. Для установки процессоров с раздельным питанием ядра и интерфейсных схем (технология VRT, применяемая во всех ММХ-процессорах Р55С и последних «обычных» процессорах Pentium) сокет 7 предусматривает две шины питания Vcc2 и VCC3. На системной плате при этом должны находиться два регулятора напряжения: дляядра(VCc2) иинтерфейсныхсхем(VCC3). Ихноминальныенапряжения определяются типом процессора. Сокет 7, появившийся задолго до выхода Pentium MMX, для которого он был предназначен, оказался самым «долгоиграющим» — хотя фирма Intel «похоронила» его с процессорами Pentium ММХ-233, конкуренты для него до сих пор выпускаются процессоры. В сокете Super 7 «официальная» частотасистемной шиныподнятадо100 МГц.

Фирма AMD для сокета 7 выпускала процессоры, начиная с К5, а сейчас уже Кб, К6-2 и K6-IH. Для этих процессоров (кроме K6-III) вторичный кэш располагается на системной плате, что и уберегло конструктив отсерьезных потрясений. Для сокета 7 процессоры выпускали и другие фирмы, но они постепенно ушлисо сцены (включая и Cyrix). Архитектура процессоров Кб относится к шестому поколению (предсказание ветвлений, изменение порядка исполнения инструкций ит. п.).

Рис. 4.3. Сокеты5 и7

ДлясвоихпроцессоровшестогопоколенияфирмаIntel стала«радовать» пользователейкалейдоскопомсокетовислотов. Интерфейссистемнойшиныпроцес- >ровР6 имеетбольшоечислосигналовисложныйпротокол, ориентированныйа многопроцессорныесистемы. ЛицензияминаиспользованиешиныР6 фирма -*е разбрасывалась, так что альтернативы процессорам Intel для новых сокетов и слотов долгое время не было (лишь недавно вышел VIA Cyrix III для соке-га-

370).

Сокет8 (рис. 4.4) былразработандляпроцессораPentium Pro. Длясокета8 LbLio выпущеновсегонесколькомоделейпроцессоровPentium Pro 150-200 МГц, -равда, сразнымивариантамивторичногокэша(от0,5 до2 Мбайт). Послевы-оа моделипроцессораPentium Pro 200 МГц(конец1995 г.), накоторомсолид- выгляделисерверы(особеннов2-4-процессорнойконфигурации), следую-