Chipsatz und untergeordnete. (erweiterte) Systembusse ISA, PCI, PCIe
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- Adolf Schmitz
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1 Chipsatz und untergeordnete (erweiterte) Systembusse ISA, PCI, PCIe NVIDIA ist eines der Kernmitglieder der PCI Express SIG PCI wurde als BUS zwischen der entstandenen North und Southbridge von Intel 1992 entwickelt. Ursächlich ohne Steckplatz für Erweiterungskarten.
2 Chipsatz Das zentrale Element auf dem Motherboard ist der Chipsatz (engl. Chipset), der sich im Laufe der Zeit von vielen einzelnen Bausteinen zu einigen wenigen, dafür hoch integrierten Schaltungen entwickelt hat. Der Chipsatz ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers. Egal was in einem Computer passiert, der Chipsatz hat immer damit zu tun. Der Chipsatz hat großen Einfluss auf die gesamte Rechnerleistung. Er steuert das Zusammenspiel und den Datenfluss zwischen dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher, den Bussystemen, sowie den internen und externen Schnittstellen. Dabei werden unterschiedliche Spannungspegel, Taktfrequenzen und Protokolle berücksichtigt und untereinander umgewandelt. Der Chipsatz wird über die Einstellungen im BIOS konfiguriert.
3 Fortschritte in der Halbleitertechnik führten zu einer Integration von mehr Funktionen in jeweils einer Bridge. Chipsatz: Bridge Architektur (Northbridge und Southbridge) Als Brückenglieder auf dem Board werden sogenannt Chipsätze eingesetzt. Sieht man die prinzipielle Anordnung des Chipsatzes als Landkarte, so befindet sich die Northbridge im Norden (CPU nah) und die Southbridge im Süden. Die Bezeichnungen stammen ursprünglich von Intel. Mit der Integration des Speichercontrollers und des Grafikchips in den Prozessor verliert die Northbridge als Teil des Chipsatzes zunehmend an Bedeutung.
4 Northbridge In der Northbridge wird der Datenfluss zwischen Prozessor (CPU), dem Arbeitsspeicher (RAM), der Grafikkarte (GPU) und dem Peripherie Bus gesteuert (Hauptbussyteme Minimalanforderung für einen Rechner). Der Prozessor ist über den Front Side Bus (FSB) mit der Northbridge verbunden. Die Grafikkarte besitzt zur Northbridge hin, eine eigene Schnittstelle. Der Zugriff und Verwaltung (Speichercontroller) auf den RAM erfolgt ebenfalls über die Northbridge Im Optimalfall arbeitet die Anbindung von Prozessor undarbeitsspeicher mit derselben Geschwindigkeit. Das entlastet die Northbridge vor der aufwendigen Anpassung und verringert Verzögerungen beim Datentransfer.
5 Über den Peripherie Bus (PCI zur Southbridge hin) lässt sich ein Computer mit Steckkarten um Schnittstellen und Controller erweitert. Bestandteile der Northbridge Speichercontroller Schnittstelle zur Grafikkarte (AGP, PEG) Schnittstelle zum Prozessor (FSB) Anbindung Southbridge Southbridge Die Southbridge ist mit der der Northbridge über einen Bus (PCI) oder eine Direktverbindung angeschlossen. Obwohl die Southbridge hauptsächlich für die Steuerung der Peripherie Schnittstellen zuständig ist, hat sie trotzdem Verbindung über Interrupt Leitungen zum Prozessor und über den SM BUS zum Arbeitsspeicher.
6 Der System Management Bus (auch SM Bus) ist ein Steuerbus, der gemeinsam von Intel und Duracell entwickelt wurde. Über den SM Bus wird der Status von Hardware Komponenten übertragen. Für die Peripherie Schnittstellen übernimmt die Southbridge die Wandlung von Spannungspegeln, Datenformaten, Protokollen und Taktfrequenzen. Auch das System BIOS mit seinem Flash ROM ist hier eingebunden. Bestandteile der Southbridge Anbindung Northbridge Peripherie Schnittstellen Anbindung BIOS
7 Chipsatz: Hub Architektur Grund für eine neue Architektur war die langsame Verbindung zwischen Northbridge und Southbridge. Der PCI Bus hatte sich zum Nadelöhr (weil nicht weiter mit) entwickelt. Die immer schneller arbeitenden Prozessoren wurden durch die Anbindung der Peripherie ausgebremst. Die Daten konnten nicht schnell genug innerhalb des Computersystems übertragen werden. Zur Lösung des Problems wollte Intel als Chipsatz Hersteller Einfluss auf den Markt nehmen, um den eigenen Prozessoren eine bessere Arbeitsumgebung zu bieten. Die Chipsätze andere Hersteller sind ähnlich aufgebaut. Nur die Funktionseinheiten haben andere Bezeichnungen.
8 Obwohl die Hub Architektur Ähnlichkeit einige Dinge geändert: mit der Bridge Architektur hat, haben sich Die Aufteilung auf mindestens zwei Chips, sowie die Zuständigkeit sind im Wesentlichen gleich geblieben. Der Memory Controller Hub (MCH) hat die Funktion der Northbridge. Hier laufen Prozessor, Arbeitsspeicher und die Grafikkarte zusammen. Statt des MCH gibt es auch einen Graphics Memory Controller Hub (GMCH). In diesem Fall ist die Funktion der Grafikkarte in den Chipsatz integriert. Als interne Verbindung zwischen Northund South Bridge dient nicht mehr der langsame PCI Bus, sondern ein Hub Interface.
9 Es handelt sich dabei um eine Punkt zu Punkt Verbindung. Mit diesem Interface lassen sich weitere Controller Hubs untereinander verbinden (z.b. lässt sich ein PCI Hub an den MCH anbinden, der Steckplätze für den PCI Bus zur Verfügung stellt. Spätere MCHs verfügen über Direktverbindungen zu PCI Express Steckplätzen).
10 In dieser Architektur ist die Southbridge eine Verlängerung der North Bridge, um alle internen und externen Schnittstellen und Bussysteme schneller an die Northbridge anzubinden. Der PCI Bus und die EIDE/ATA Schnittstellen werden direkt aus dem ICH herausgeführt. ISA Steckplätze müssen über einen zusätzlichen Chip (PCI to ISA Bridge) angebunden werden. Weil der ISA Bus nur noch über diesen Zusatzbaustein unterstützt wird, muss das BIOS in eine eigene Funktionseinheit. Diese nennt sich Firmware Hub (FWH) und ist am ICH angebunden. Bei der Einführung der Hub Architektur wollte Intel gleich auf alte Schnittstellen verzichten. Darunter die serielle und parallele Schnittstelle. Und auch die Schnittstelle für Floppy (Disketten) und die PS/2 Schnittstelle für Tastatur und Maus sollten nur noch aus Kompatibilitätsgründen zur Verfügung stehen. Dafür gab es einen eigenen Super I/O Baustein, den Legacy Port Controller (LPC), der an den I/O Controller Hub angebunden wurde. LPC Bus Legacy Lives On!
11 PC Architektur 2002 mit Hub Interface zw. Memory Hubcontroller ( Northbridge ) und I/O Hubcontroller ( Southbridge ). PC Architektur mit PCI Express PCI Express vereinheitlicht das I/O System durch Nutzung einer gemeinsamen Busarchitektur. Zudem ersetzt PCI Express auch einige der internen Busse, mit denen Subsysteme verbunden werden.
12 Der SiS655 Northbridge steht die SiS963 Southbridge zur Seite. Der Nachfolger des SiS961/962 arbeitet wie der SiS655 Baustein ebenfalls mit der 0,99 GByte/s schnellen MuTIOL Schnittstelle (2002).
13 Chipsatz: Erweiterte Hub Architektur
14 In der erweiterten Hub Architektur verliert der Chipsatz langsam an Bedeutung. Die Anbindung von Grafikkarte und Arbeitsspeicher sind immer wieder der Flaschenhals eines Computers. Da der Prozessor Hersteller AMD hier immer etwas im Rückstand war, hat AMD den Speicher Controller eigentlich Aufgabe des Chipsatzes direkt in den Prozessor integriert. Neben der Verbindung zum Chipsatz wird aus dem Prozessor auch die Verbindung direkt zum Arbeitsspeicher herausgeführt. Auf diese Weise spart der Prozessor den Umweg über den Chipsatz, wenn er auf den Speicher zugreift.
15 Je nach Chipsatz und Hersteller wird gleich auf die Aufteilung in zwei Chips verzichtet und alle Schnittstellen und ihre Steuerung in einen einzigen Baustein integriert. Die weiterhin zunehmende Bedeutung der Grafikleistung eines Computers führt zu dem Effekt, dass auch die Grafikkarte direkt an den Prozessor angebunden wird.
16 Direct Media Interface (Intel) abgekürzt DMI, zu Deutsch: Direkte Medienschnittstelle ist die 2,0 GB/s schnelle Datenleitung zwischen Southbridge und Northbridge. Sie ist seit 2004 Nachfolger des veralteten und langsamen Hub Interface. Mit seinen 266 MByte/s war das seit 1999 eingeführte Hub Interface insbesondere für Gbit schnelle Netzwerkkarten zu langsam geworden, so dass sie damals unter Umgehung des Hub Interface mit einer eigenen Datenleitung an die Northbridge angeschlossen wurden. Mit Einführung des PCI Express und des damaligen neuen Intel 9xx SerieChipsatzes auf dem Motherboard im Juli 2004, wurde auch die Datenleitung vom Hub Interface auf das Direct Media Interface umgestellt.
17 A Link Express III Interface (AMD) Frühjahr 2010 AMD bleibt dem Prinzip der North und Southbridge treu. Doch in nicht allzu ferner Zukunft soll sich auch das ändern. Die Southbridge ist über das A Link Express III Interface an die Northbridge angebunden. AMD gibt eine Bandbreite von 2,0 GB/s an und spricht dabei von einer Verdopplung der selbigen. Allerdings bestand auch das A Link Express II Interface bereits aus bis zu vier PCI Express Lanes, was ebenfalls einer Bandbreite von 2 GB/Sek. entspricht. Frühjahr 2011 A-Link-Express III wurde mit Einführung des Bulldozer -Konzepts auf 3,2 GByte/s erhöht
18 ISA Industrial Standard Architecture Die Entstehung der erweiterten BUSysteme Der erste PC von IBM, der IBM XT, mit dem Prozessor 8088 von Intel, hatte einen externen Bus mit 8 Bit (Datenbus) und war mit 4,7 MHz getaktet (der SpeicherBUS lief mit CPU Frequenz synchron noch keine Bridge Technik). Zu den 8 Datenleitungen kommen noch 20 weitere Leitungen für den Adress und Steuerbus. Nach außen hin wurde er als PC Bus bezeichnet. Später bekam er die Bezeichnung ISA Bus. Lange Zeit wurde der ISA Bus aus Kompatibilitätsgründen immer noch auf Motherboards implementiert, obwohl er total veraltet war.
19 AT Bus Advanced Technology Für den Prozessor von Intel wurde der AT Bus entwickelt. Der ISA Bus wurde aus dieser Notwendigkeit heraus verbessert und in AT Bus umbenannt. Im Allgemeinen wird der AT Bus trotzdem als ISA Bus bezeichnet. Der Grund, er wurde vollkompatibel zum ISA Bus entwickelt. Er hatte einen 16 Bit breiten Datenbus. Die Taktrate des AT Bus ist auf 8,3 MHz erhöht. Der AT Bus Steckplatz unterscheidet sich vom ursprünglichen ISA Bus Steckplatz nur durch eine zweite (verlängerte) Steckleiste, die die zusätzlichen Datenleitungen herausführt.
20 Mit der Einführung des Prozessors von Intel war die Leistungsfähigkeit des AT Busses bereits ausgeschöpft. Der Datenbus des 386er war 32 Bit breit und mit 16 MHz getaktet. Also nutzte man für die ersten internen Steckkarten im PC (Grafikkarte, Soundkarte u.s.w.) den ISA Bus, der zuerst als 8 Bit, später als 16 Bit Variante gebaut wurde. Schnell wurde der ISA Bus bei der Datenübertragung zu langsam und es wurde, mit kleineren Zwischenlösungen (VESA Local) der PCI Bus eingeführt. Damit die alten Erweiterungskarten trotzdem mit den neuen Prozessoren weiterverwendet werden konnten, wurde im Chipsatz eine PCI to ISA Bridge integriert. Somit konnten alte ISA Karten weiterverwendet werden. Der PCI BUS arbeitete bereits mit einer Breite von 32 Bit. Für die meisten Steckkarten ist der PCI Bus bis heute noch schnell genug (allerdings reichte die Geschwindigkeit des PCI Busses für Grafikkarten bald nicht mehr PCIe). Man findet einfache PCI Steckplätze auch heute noch in aktuellen Computern.
21 PCI BUS (Peripheral Component Interconnect Bus) 32 oder 64 Bit (Serversysteme) breites Bussystem, das Ende 1991 von Intel zusammen mit etwa 100 anderen Firmen (v.a. aus der VESA), als Weiterentwicklung des kurzlebigen (VESA )Local Bus geschaffen wurde. ur und hauptsächlich als autarkes Bussystem zur Entkopplung vom Systembus konzipiert (allerdings synchron taktend) eingeführt wurde er dann mit 2 4 Slots pro PCI Bridge
22 Der PCI Bus ist ein synchroner Bus mit 33,33 MHz (= 30 ns pro Takt) bzw. nach der 2.1 Spezifikation 66,66 MHz Taktrate, also 15 ns pro Takt. Diese Werte sind Maximalwerte, nach der Spezifikation kann der Takt auch niedriger und zudem variabel sein, beispielsweise zum Stromsparen. Deshalb hat der Bus eine Taktleitung. Alle Signale werden nur bei steigender Taktflanke übertragen (Single Data Rate). Der Bus kann mit bis zu 10 Geräten bestückt werden, wobei zwischen Master (Herr) und Target (Ziel) unterschieden wird.
23 Ein Master kann bei Bedarf selbst die Kontrolle über Abläufe auf dem Bus übernehmen, was vor allem für Karten mit hohem I/O Aufkommen, wie etwa Netzwerkkarten oder Festplatten Controller (IDE oder SATA), vorteilhaft ist. PCI Bridge Begriffe: Master Target Arbiter > PCI BUS Verwaltung; Plug & Play (PnP)
24 Als Geräte zählen auch auf der Hauptplatine untergebrachte Geräte, die Verbindung zum Host (PCI/Host Schnittstelle [für Erweiterungskarten, Festplattenkontroller]),
25 oder zu einem eventuell vorhandenen ISA Bus (PCI/ISA Schnittstelle) aufnehmen. Für mehr als 10 PCI Geräte pro System können über PCI/PCI Schnittstellen (PCI PCI Bridge) weitere PCI Busse in das System eingebunden werden.
26 Auf dem PCI Bus kommuniziert immer ein Master mit einem Target. Die meisten PCI Geräte können sowohl als Target angesprochen werden, als auch als Master Transaktionen starten. Ein Bus kann mehrere Master haben. Über einen sogenannten Arbiter wird Master ausgewählt. ein Der PCI Arbiter ist eine in den Chipsatz (Northbridge) implementierte Steuerkomponente, welche die Zugriffe auf den PCI Bus und die damit angebundenen Geräte steuert. Der ausgewählte Master kann einen Transfer beginnen wobei er eine Adresse
27 an die 32(64) Daten/Adressleitungen und vier Kommandoleitungen anlegt. Eine zusätzliche Paritätsleitung erlaubt das Erkennen von Fehlern. Jedem Target werden beim Systemstart vom BIOS Adressbereiche (I/O Ports) zugeteilt. Über Herstellercodes können Karten nach dem Hochfahren
28 eindeutig identifiziert werden (Plug & Play Fähigkeit). Das Target mit der ausgewählten Adresse im Adressbereich antwortet dann und kommuniziert mit dem Master. Die Daten und Adressen werden über dieselben Leitungen übertragen und per Zeitmultiplexverfahren voneinander getrennt. Die beiden am häufigsten verwendeten Kommandos sind READ und WRITE. Über die Adress/Datenleitungen werden dann Daten übertragen wobei die Kommando Leitungen zur Auswahl der Bytes im 32(64) Bit Wort dienen können. Dadurch sind neben 32 (64) Bit auch 16 und 8 Bit Transfers (ISAkompatibel) möglich. CPU und Arbeitsspeicher sind über eine sogenannte Host Bridge mit dem PCI Bus verbunden. Die meisten Transaktionen auf dem Bus finden zwischen dieser Bridge (als Master Arbiter) und den restlichen Peripheriegeräten statt.
29 Theoretisch können Peripheriegeräte auch untereinander kommunizieren, diese Möglichkeit wird jedoch nur sehr selten genutzt. Da masterfähige Peripheriegeräte die Hostbridge als Target ansprechen können, sind sie in der Lage, direkt in den Arbeitsspeicher zu schreiben und aus ihm zu lesen das entspricht dem Prinzip von Direct Memory Access (DMA). Bei Direct Memory Access handelte es sich um den Hardware Mechanismus, mit dem Peripherie Geräte ihre I/O Daten direkt in den oder aus dem Hauptspeicher transportieren können, ohne dass der Systemprozessor an der Übertragung beteiligt sein muss. Die Verwendung dieses Mechanismus kann den Durchsatz vom und zum Gerät deutlich verbessern, weil ein großer Teil des Verarbeitungsaufwandes eliminiert wird. Prinzip seit PCI kaum noch in Verwendung, PCI(e) Busse können im Gegensatz zum älteren ISA, den Datendurchsatz autark Händeln.
30 Über Ready Leitungen kann sowohl der Master als auch das Target signalisieren, dass sie zur Aufnahme von Daten bereit sind. Falls Master oder Target nicht bereit sind, werden keine Daten übertragen, die Übertragung also verlangsamt. Normalerweise beendet der Master den Datentransfer. Über ein STOP Signal kann das Target ein Übertragungsende erzwingen. Ein anderer Master kann den Bus über IRQ (Interrupt) anfordern, wobei die derzeitige Übertragung nach einer vorgegebenen Latenzzeit beendet werden muss und der neue Master den Bus übernehmen kann. Auf dem Bus liegen vier Interruptleitungen, so dass jedes Gerät bis zu vier verschiedene Interrupts erzeugen kann. Die Interruptleitungen können einzeln geroutet und zugeordnet werden. Als IRQ bezeichnet man ein elektrisches Signal, das eine PC Hardwarekomponente auslösen kann, um die CPU zur Abarbeitung von Befehlen aufzufordern.
31 PCI Version PCI 2.0 PCI 32 bit 2.1 PCI 64 bit 2.1 PCI 2.2 PCI 2.3 PCI 3.0 Max. Busbreite (Bit) Max. Taktrate (MHz) Max. Datenrate (GByte/s) Max. Datenrate (GBit/s) Slots pro Bridge Spannung (Volt) ,133 0,266 0,533 0,533 0,533 0,533 1,066 2,133 4,266 4,266 4,266 4, /3,3 5/3,3 5/3,3 3,3 3,3
32 Einführung (Jahr) ) 2.1 erlaubt 3,3 Volt Leitungen, 2.2 schreibt sie vor.
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