Системные шины

FSB

Front Side Bus (FSB) — это магистральный канал, обеспечивающий соединение процессора и внутренних устройств: памяти, видеокарты, устройств хранения информации и т. п.

Наиболее часто можно встретить систему организации внешнего интерфейса процессора, которая предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, носящая название FSB, соединяет процессор (порой два процессора, четыре или даже больше) и системный контроллер, который обеспечивает доступ к оперативной памяти и внешним устройствам. Этот системный контроллер обычно называется «северным мостом» (от англ. Northbridge). Он, наряду с «южным мостом» (от англ. Southbridge), входит в состав набора системной логики, который, однако, чаще фигурирует под названием «чипсет» (от англ. Chipset).

Northbridge

Северный мост начал именоваться именно так из-за своего расположения на материнской плате. Он представляет собой микрочип, визуально расположенный «под» процессором, однако в верхней части материнской платы, как бы в «северной» ее части.

Системный контроллер служит для передачи команд центрального процессора к оперативной памяти, и видеоконтроллеру (в случае встроенного видеоконтроллера, северный мост, производимый компанией Intel, именуется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub), а также конвертацию этих команд в форму, необходимую для обращения к оперативной памяти. Порой, для увеличения потенциальной производительности системы, к северному мосту подключаются наиболее производительные периферийные устройства, например, видеокарты с шиной PCI Express, а менее производительные устройства (BIOS, устройства PCI, интерфейсы устройств хранения информации, ввода и т. п.) могут подключаться к так называемому южному мосту. Северный мост соединен с материнской платой посредством согласующего интерфейса, также контроллер соединяется шиной и с южным мостом.

 

Северным мостом определяются параметры (пропускная способность, частота, а также тип): системной шины, оперативной памяти (тип используемой памяти, а также ее максимальный объем), подключенного видеоконтроллера (режим работы, возможность использования SLI (от англ. Scalable Link Interface, что означает «масштабируемый интерфейс» и фактически означает возможность работы 2 (3 — 3-Way SLI, или даже 4 — Quad SLI) видеоадаптеров одновременно, что чрезвычайно повышает производительность видео).

В настоящее время в процессорах серии Core i-x с разъемом LGA 1156 северный мост встроен в процессор и связывается с ядрами по внутренней шине QPI со скоростью соединения 2.5^109 операций в секунду. Из факта поглощения процессором северного моста вытекает неактуальность использования шины FSB и внешней шины QPI в подобных системах.

Southbridge

Еще одним компонентом чипсета является функциональный контроллер ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH), так называемый южный мост, служащий для связи центрального процессора (через северный мост) с устройствами, не столь критичными к скорости взаимодействия:

  • Контроллеры PCI (X, E), прерываний, SMBus (I2C), LPC, IDE/SATA DMA, IRQ, ISA;

  • Super I/O: контроллер floppy-дисководов; контроллер LPT-порта; Контроллер COM-портов; MIDI, джойстик, инфракрасный порт и т.п.

  • Часы реального времени RTC (от англ. Real Time Clock);

  • BIOS (CMOS), вместе с энергонезависимыми системами обеспечения;

  • Системы энергообеспечения APM и ACPI;

  • Звуковой контроллер (AC97);

  • Может включать в себя контроллеры Ethernet, USB, RAID, FireWire и т. п.

Особенностью южного моста является его взаимодействие с внешними устройствами. Как следствие, он довольно чувствителен различным негативным факторам, влияющим на нормальную работу устройств (короткое замыкание, перегрев, деформация материнской платы и т. п.). Замена южного моста, как правило, составляет стоимость самой материнской платы, поэтому замена его нерациональна из-за ее высокой стоимости и обычно не проводится.

BSB

Шина BSB (от англ. Back Side Bus) служит для соединения центрального процессора с кэш-памятью второго уровня для процессоров, в которых используется двойная независимая шина DIB (от англ. Dual Independent Bus), которая также называется вторичным (или внешним) КЭШем (и носит обозначение L2-cache).

QPB

Компанией Intel была разработана системная шина QPB (от англ. Quad Pumped Bus), передающая 4 64-разрядных блока данных или 2 адреса за такт, тогда как пытавшаяся получить лицензию на системную шину GTL+ для создания своих новых процессоров, компания AMD вынуждена была при создании процессоров серии К7 лицензировать шину EV6 для процессоров AMD Athlon и Athlon XP передающую данные два раза за такт (Double Data Rate).

Данная шина оказалась значительно сложнее в производстве, чем предыдущие исполнения. Данное обстоятельство не могло не сказаться на серьезном увеличении количества транзисторов, используемых для реализации вышеуказанного принципа передачи данных, как для процессора, так и для самого чипсета.

DMI

DMI (от англ. Direct Media Interface) – шина, которая была разработана компанией Intel, для соединения южного и северного мостов материнской платы. Для разъема LGA 1156 со встроенным контроллером памяти (продукты Core i3, Core i5 и некоторые серии Core i7 (800, к примеру)), DMI соединяет процессор и чипсет PCH (от англ. Platform Controller Hub) по технологии CtC (от англ. Chip-to-Chip).

PCH является, по сути, аналогом южного моста, однако представляет из себя совершенно новый P55 Ibex Peak. Фактически, в новом решении сочетается расширенный функционал предыдущих версий южных мостов компании Intel, а также дополнительный контроллер PCI-e для периферии.

Первыми чипсетами, построенными с помощью технологии DMI, были устройства серии Intel i915, на основе сокета LGA 1156, получившие свое распространение с 2004 года.

Пропускная способность DMI составляет 2 Гбайт/с. Из-за столь невысоких значений, инженеры Intel пошли на революционное решение, встроив контроллер памяти, PCI-e и непосредственно интерфейс DMI в сам процессор.

HyperTransport

HyperTransport (ранее известная, как Lightning Data Transport) – технология последовательной/параллельной связи, разработанная с использованием технологии P2P (от англ. «point-to-point»), которая обеспечивает достаточно высокую скорость при низком уровне латентности (от англ. Low-latency responses), которая обеспечивает межпроцессорную связь, связь процессоров с сопроцессорами и процессоры с I/O Controller Hub. Имеет оригинальную схему на основе соединений, тоннелей, последовательного объединения нескольких тоннелей в цепь и мостов (для организации маршрутизации пакетов между цепями) для более простого масштабирования всей системы.

HyperTransport оптимизирует внутрисистемные связи заменой шин и мостов на их физическом уровне. Также тут используется DDR (от англ. Double Data Rate), что позволяет производить до 5.2x109 посылок в секунду с частотой синхронизации сигнала на уровне 2.6 гигагерц.

Версии HyperTransport:

Версия Год Максимальная частота (МГц) Максимальная ширина (бит) Пиковая пропускная способность (Гбайт/сек)
1 2001 800 32 12,8
1,1 2002 800 32 12,8
2 2004 1400 32 22,4
3 2006 2600 32 41,6
3,1 2008 3200 32 51,6

QPI

Очередной шаг в совершенствовании научно-технического процесса был обозначен инженерами компании Intel созданием нового типа системной шины QPI (от англ. Quick Path Interconnect, ранее известной, как Common-System Interface, или CSI). Она заключается в интегрированном контроллере памяти и быстрой последовательной шины P2P для доступа к распределенной и разделяемой памяти.

Необходимость повышения скорости обработки и обмена данными диктует более жесткие требования к пропускной способности шины. С развитием технологии и характеристик процессоров нового поколения, использование FSB уже неактуально и в полной мере является наглядным изображением пресловутого эффекта «бутылочного горлышка». Результатом модернизации технологии FSB было создание шины нового поколения – QPI. Общая пропускная способность данного нового вида системной шины достигает невероятных (для предшественников) значений в 25.6 ГБ/с.

Первые процессоры, построенные на технологии использования системной шины QPI, поступили на рынок в начале 2008 года. Данная технология является прямым конкурентом консорциума, во главе с компанией AMD, выпустившей системную шину HyperTransport.

Название микроструктуры процессорного ряда компании Intel - Nehalem произошло от названия небольшого города в США неподалеку от головного офиса компании Intel в г. Санта-Клара (основанного в 18 веке) в Калифорнии. Nehalem является продолжением процесса модернизации модельного ряда архитектур Intel x86. Свое продолжение в 2010 году QPI получила в процессоре серии Itanium 9300, получив кодовое имя Tukwila, что является большим шагом вперед для систем, построенных на базе Itanium. Вместе с QuickPath в процессоре используется встроенный контроллер памяти, и интерфейс памяти прямо использует интерфейс QPI для взаимодействия с другими процессорами и I/OCH. Именно в этих продуктах наиболее типичным решением и стала системная шина QPI, что делает вероятной возможность использования одного чипсета процессорами Tukwila и Nehalem.

Каждое ядро процессора содержит интегрированный контроллер памяти и скоростное соединение для подключения иных компонентов. Данная структура служит для обеспечения следующих аспектов:

  • Огромной производительности и удобства работы с памятью;

  • Динамически изменяемой полосы эффективного пропускания при связи процессора с иными компонентами системы;

  • Значительного увеличения характеристик RAS (от англ. Reliability, Availability, Serviceability, что дословно означает «надежность, доступность и обслуживаемость») - достигается для достижения наилучшего баланса между ценой, производительностью и энергоэффективностью.

    Чипсеты с разъемом LGA 1366 используют шину DMI для связи между северным мостом и южным мостом. А процессоры для сокета LGA 1156 вообще не имеют внешнего интерфейса QuickPath, т.к. чипсеты для данного сокета взаимодействуют с однопроцессорными конфигурациями, а функционал северного моста же напрямую встроен в сам процессор, что заставляет использовать шину DMI для связи процессора с аналогом южного моста. Однако, встроенная шина QPI используется в процессорах сокета LGA 1156 для связи ядер и встроенного контроллера PCI-e внутри самого процессора.

    Данные, передаваемые в виде датаграмм (пакетов) в системной шине QPI передаются по паре односторонних каналов, каждый из которых состоит из 20 пар проводов. Общая ширина канала составляет 20 бит, при этом 16 бит служат для передачи исключительно данных (полезной нагрузки). Максимальная пропускная способность одного канала варьируется от 4.8^109 до 6.4^109 транзакций в секунду, следовательно, общая максимальная пропускная способность одного соединения приближается к значениям от 19.2 до 25.6 ГБ/с в двух направлениях, что составляет, соответственно, от 9.6 до 12.8 ГБ/с в каждую сторону.

    В настоящее время системную шину QPI используют, в основном, для серверных решений. Связано это обстоятельство с тем, что QPI приобретает максимальную эффективность (и КПД) именно в загруженности пересылкой данных в оба направления, как в случае с многосокетными рабочими станциями или, собственно, серверами.

    Как показывают тесты, для пользовательских машин использовать решения на основе QPI нецелесообразно, так как даже намеренное снижение пропускной способности QPI в 2 раза никоим образом не влияет на получаемые результаты в тестах, даже при условии использования связки из 3 наиболее производительных графических адаптеров.

    PCI

    PCI (от англ. Peripheral Component Interconnect bus) – шина для соединения материнской платы с периферийными устройствами различного рода.

    Начало PCI было положено в начале 1992 года компанией Intel (для замены шины VLB (от англ. Vesa Local Bus)), которая допустила полноценное использование возможностей процессоров 486, Pentium и Pentium Pro, при этом стандарт шины с самого начала был открыт, что гарантировало возможность создания устройств для шины PCI без обязательства лицензирования.

    В 1993 году в ходе маркетинговой политики по продвижению PCI на рынке вышла PCI 2.0. В 1995 году данная модель модифицировалась до версии PCI 2.1.

    PCI имела реальную тактовую частоту на уровне 33 МГц, тактовой частотой для версии 2.1 стало значение в 66 МГц, что позволило повысить скорость передачи данных до 533 Мбайт/с. Вместе с тем, и в операционных системах (Windows 95, к примеру) уже была предусмотрена поддержка шины PCI 2.1, которая стала настолько популярной, что вскоре была использована при создании платформ процессоров Alpha, MIPS, PowerPC, SPARC и т.д.

    Однако, ничего не стоит на месте, включая научно-технический процесс, поэтому в связи с разработкой шины PCI Express, AGP и PCI практически не используются в решениях высшего ценового диапазона.

    PCI Express

    PCI Express получила свое кодовое название 3GIO (от англ. 3rd Generation I/O) – компьютерная шина, использующая последовательную передачу данных, обеспечиваемую высокопроизводительным физическим протоколом на основе программной модели шины PCI.

    В связи с тем, что использование параллельной передачи данных, при попытке увеличить производительность, будет означать физическое ее расширение, последовательная передача данных обладает возможностью масштабирования (1x, 2x, 4x, 8x, 16x и 32x) а, значит, более приоритетна в разработке. Топология PCI Express, в общем случае, представляет собой звезду со взаимодействием между собой устройств через среду, образованную коммутаторами, с прямой связью каждого устройства соединением P2P.

    Очередными отличительными особенностями PCI Express являются:

  • Возможность горячей замены карт;

  • Последовательность;

  • Спецификация;

  • Возможность создания виртуальных каналов, гарантирования полосы пропускания и количество времени отклика, а также сбора статистики QoS (от англ. Quality of Service)

  • Возможность влиять на энергопотребление оборудования ASMP (от англ. Active State Power Management) – перевод устройства в режим уменьшенного энергопотребления в случае его простоя в течение конкретного (задаваемого программно) интервала времени;

  • Контроль целостности информации и структуры данных, предназначенных для передачи – алгоритм Data Link прикрепляет к пакету данных (в передаче) контрольную сумму последовательности и ее номер, что позволяет обнаруживать все одиночные и двойные ошибки, а также ошибки в нечетном числе бит – CRC (от англ. Cyclic Redundancy Check).

В отличие от PCI (использование подключения к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине), PCI Express использует двунаправленное последовательной соединение P2P, а соединение между двумя устройствами состоит из 1 (2, 4, 8, 16, 32) двунаправленных линий. На электрическом уровне каждое соединение способно подключаться к PCI Express всего лишь 4 проводниками.

Преимущества подобного решения налицо:

  • Устройство корректно работает в таком же слоте, или большей пропускной способности;

  • Корректная работа слота возможна даже при использовании не всех линий (однако в таком случае необходимо подключение и заземление всех проводников питания);

  • Физическая составляющая слота не позволит допустить некорректную работу системы, в случае попытки вставить устройство в слот с меньшей пропускной способностью, дифференциацией размеров слотов x1 (x2, x4, x8, x16, x32).

Чтобы высчитать пропускную способность PCI Express, нужно учесть битрейт, дуплексность связи и процент (отношение) эффективного количества «полезной нагрузки» бит к общему количеству (в PCI Express 1.0 и 2.x это отношение выглядело, как 8 бит информации / 10 бит служебных данных). Перемножая все три значения, получим скорость передачи данных. Так общая пропускная способность шины PCI Express 3.0 достигает 1 Гбайт/с для каждой линии при сигнальной скорости передачи данных в 8 GT/s (для 2.0 этот показатель был равен 5 GT/s, а для 1.0 – вообще 2.5 GT/s). А для планируемого к стандартизации и спецификации к 2014-2015 гг. стандарта 4.0 планируется удвоить показатель сигнальной скорости до 16 GT/s или даже более, что будет, по-меньшей мере, в 2 раза быстрее PCI Express 3.0

Заключение


Системная шина (магистраль) включает в себя шину данных, адреса и управления. По каждой их них передается своя информация: по шине данных - данные, адреса - соответственно, адрес (устройств и ячеек памяти), управления - управляющие сигналы для устройств. Но мы сейчас не будем углубляться в дебри теории организации архитектуры компьютера, оставим это студентам ВУЗов. Физически магистраль представлена в виде многочисленных дорожек (контактов) на материнской плате.

Я не случайно на фотографии к этой статье указал на надпись "FSB". Дело в том, что за соединение процессора с чипсетом отвечает как раз шина FSB, которая расшифровывается как "Front-side bus" - то есть "передняя" или "системная". И ее частота является важным параметром, на который обычно ориентируются при разгоне процессора, например.

Существует несколько разновидностей шины FSB, например, на материнских платах с процессорами Intel шина FSB обычно имеет разновидность QPB, в которой данные передаются 4 раза за один такт. Если речь идет о процессорах AMD, то там данные передаются 2 раза за такт, а разновидность шины имеет название EV6. А в последних моделях CPU AMD, так и вовсе - нет FSB, ее роль выполняет новейшая HyperTransport.

Итак, между чипсетом и центральным процессором данные передаются с частотой, превышающей частоту шины FSB в 4 раза. Почему только в 4 раза, см. абзац выше. Получается, если на коробке указано 1600 МГц (эффективная частота), в реальности частота будет составлять 400 МГц (фактическая). В дальнейшем, когда речь пойдет о разгоне процессора (в следующих статьях), вы узнаете, почему необходимо обращать внимание на этот параметр. А пока просто запомните, чем больше значение частоты, тем лучше.

Кстати, надпись "O.C." означает, буквально "разгон", это сокращение от англ. Overclock, то есть это предельно возможная частота системной шины, которую поддерживает материнская плата. Системная шина может спокойно функционировать и на частоте, существенно ниже той, что указана на упаковке, но никак не выше нее.

Вторым параметром, характеризующим системную шину, является пропускная способность. Это то количество информации (данных), которая она может пропустить через себя за одну секунду. Она измеряется в Бит/с. Пропускную способность можно самостоятельно рассчитать по очень простой формуле: частоту шины (FSB) * разрядность шины. Про первый множитель вы уже знаете, второй множитель соответствует разрядности процессора - помните, x64, x86(32)? Все современные процессоры уже имеют разрядность 64 бита.

Итак, подставляем наши данные в формулу, в итоге получается: 1600 * 64 = 102 400 МБит/с = 100 ГБит/с = 12,5 ГБайт/с. Такова пропускная способность магистрали между чипсетом и процессором, а точнее, между северным мостом и процессором. То есть системная, FSB, процессорная шины - все это синонимы. Все разъемы материнской платы - видеокарта, жесткий диск, оперативная память "общаются" между собой только через магистрали. Но FSB не единственная на материнской плате, хотя и самая главная, безусловно.

Диаграмма устройства системной платы

Как видно из рисунка, Front-side bus (самая жирная линия) по-сути соединяет только процессор и чипсет, а уже от чипсета идет несколько разных шин в других направлениях: PCI, видеоадаптера, ОЗУ, USB. И совсем не факт, что рабочие частоты этих подшин должны быть равны или кратны частоте FSB, нет, они могут быть абсолютно разные. Однако, в современных процессорах часто контроллер ОЗУ перемещается из северного моста в сам процессор, в таком случае получается, что отдельной магистрали ОЗУ как бы не существует, все данные между процессором и оперативной памятью передаются по FSB напрямую с частотой, равной частоте FSB.

Пропускная способность — характеристика памяти, от которой зависит производительность системы. Выражается она как произведение частоты системной шины на объём данных передаваемых за один такт. Пропускная способность (пиковый показатель скорости передачи данных) – это комплексный показатель возможности RAM, в нем учитывается частота передачи данных, разрядность шины и количество каналов памяти. Частота указывает потенциал шины памяти за такт – при большей частоте можно передать больше данных.
Пиковый показатель вычисляется по формуле: B = f * c, где:
В — пропускная способность, f — частота передачи, с — разрядность шины. Если Вы используете два канала для передачи данных, все полученное умножаем на 2. Чтобы получить цифру в байтах/c, Вам необходимо полученный результат поделить на 8 (т.к. в 1 байте 8 бит).
Для лучшей производительности пропускная способность шины оперативной памяти и пропускная способность шины процессора должны совпадать. К примеру, для процессора Intel core 2 duo E6850 с системной шиной 1333 MHz и пропускной способностью 10600 Mb/s, можно установить два модуля с пропускной способностью 5300 Mb/s каждый (PC2-5300), в сумме они будут иметь пропускную способность системной шины (FSB) равную 10600 Mb/s.
Частоту шины и пропускную способность обозначают следующим образом: "DDR2-XXXX" и "PC2-YYYY". Здесь "XXXX" обозначает эффективную частоту памяти, а "YYYY" пиковую пропускную способность.

Категория: Параметры | Добавил: masterov (06.12.2017) | Автор: Андрей Мастеров E W
Просмотров: 123 | Рейтинг: 0.0/0
Другие материалы по теме:
Всего комментариев: 0
avatar