Шинно-мостовая архитектура

Архитектура системной платы

По мере «взросления» компьютеров постоянно расширяются функции чипсета системной платы и изменяются подходы к его построению. В задачу чипсетов для 80286/386 входили увязка шины процессора с относительно несложным контроллером памяти и подключение к этой связке шины (E)ISA, на которой располагались все устройства. Постепенно стала усложняться подсистема памяти — появился кэш на системной плате, а потом к нему добавился встроенный кэш процессора. Для процессоров класса 486 производительности шины (E)ISA оказалось уже недостаточно, и появились новые шины. Шина VLB, как просто физически оформленная разъемом системная шина процессора класса 486, особых хлопот чипсету не доставляла. Однако появилась шина PCI, для которой пришлось строить мост от системной шины. Поначалу ее называли «пристроечной» (mezzanine bus), но вскоре она надолго стала центральной шиной, вокруг которой компоновались все остальные элементы. Ее центральное место не оспаривалось, поскольку шина PC имела высокую производительность — 132 Мбайт/с. Традиционно на схемах шину PCI изображают посередине, как экватор. Процессор и память (вместе с кэш-памятью) напротивВдладислав Кубарев изображают выше — «севернее», а шину ISA и все устройства, подключаемые к PCI и ISA, изображают ниже — «южнее экватора». Соответствующие части чипсета получили укоренившиеся названия северных (north) и южных (south). Созвучное слово «серверный» относится к чипсету, ориентированному на применение в компьютерах-серверах.

Архитектура системной платы прошла путь от шинно-мостовой к хабовой, особняком держится архитектура HyperTransport. Независимо от архитектуры системной платы и физической реализации соединений все современные периферийные устройства (или контроллеры и адаптеры их интерфейсов) представляются логическими устройствами (точнее, функциями). Стандартный набор атрибутов PCI (конфигурационным пространством со стандартными заголовками) обеспечивает удобный единый интерфейс конфигурирования устройств (распределения системных ресурсов). Этот интерфейс поддерживается и в PCI-X, и в PCI-E; он учитывается и в HyperTransport. Традиционные (legacy) устройства (PIC 8259A, DMA 8237A, СОМ - и LPT-порты и другие аксессуары PC) в плане конфигурирования держатся особняком — их конфигурация является статической и не меняется на протяжении более двух десятков лет.

Шинно-мостовая архитектура

В шинно-мостовой архитектуре имеется центральная магистральная шина, к которой остальные компоненты подключаются через мосты. В роли центральной магистрали сначала выступала шина (E)ISA, затем ее сменила шина PCI. Шинно-мостовая архитектура чипсетов просуществовала долгое время и пережила много поколений процессоров (от 2-го до 7-го). Перемещение вторичного кэша с системной платы на процессор (Р6 и Pentium 4 у Intel и К7 у AMD) несколько упростило северную часть чипсета — в ней не надо управлять статической кэш-памятью, а остается лишь обеспечивать когерентность процессорного кэша с основной памятью, доступ к которой возможен и со стороны шины PCI.

Шина PCI в роли главной магистрали удержалась недолго: видеокартам с ЗD-акселератором ее пропускной способности, разделяемой между всеми устройствами, оказалось недостаточно. Тогда и появился порт AGP как выделенный мощный интерфейс между графическим акселератором и памятью (а также процессором).

203-204

При этом задачи северного моста усложнились: контроллеру памяти приходится работать уже на три фронта — ему посылают запросы процессор, мастера шины PCI (и ISA, но тоже через PCI) и порт AGP. Пропускная способность AGP в режиме 2х/4х/8х составляет 533/1066/2133 Мбайт/с, так что шина PCI по производительности стала уже второстепенной. Однако в шинно-мостовой архитектуре она сохраняет свою роль магистрали подключения всех периферийных устройств (кроме графических). В качестве мощного представителя шинно-мостовой архитектуры можно рассматривать чипсет AMD-760. Здесь имеются первичная шина PCI на 64 бит и 66 МГц, являющаяся «экватором», и вторичная шина для подключения рядовой периферии.

Шина, к которой подключается множество устройств, является узким местом по ряду причин. Во-первых, из-за большого числа устройств, подключенных (электрически) к шине, не удается поднять тактовую частоту до уровня, достижимого в двухточечных соединениях. Во-вторых, шина, к которой подключается множество разнотипных устройств (особенно расположенных на картах расширения), обременена грузом обратной совместимости со старыми периферийными устройствами. Например, предусмотренные возможности повышения производительности PCI используются не всегда: расширение разрядности до 64 бит обходится слишком дорого (большое число проводников порождает свои проблемы), а повышение частоты до 66 МГц для шины возможно лишь если все ее абоненты поддерживают эту частоту. Достаточно установить одну «простую» карту PCI, и производительность центральной шины падает до начальных 133 Мбайт/с. То же можно сказать и о PCI-X: достаточно подключить к ней одно устаревшее устройство PCI, и все протокольные усовершенствования будут отменены.