1.5 Системные шины

Схема системной платы настольного ПК с обозначением системных шин была приведена ранее на рисунке 1.11. Теперь охарактеризуем подробнее основные системные шины и связанные с ними компоненты [9].

FSB (Front Side Bus) – 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 (иногда 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 двух, трех (3-Way SLI) или даже четырех (Quad SLI) видеоадаптеров одновременно, что чрезвычайно повышает производительность видео).

В настоящее время в процессорах серии Core ix 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 к 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 производится.

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

QPB. Компанией Intel была разработана системная шина QPB (от англ. Quad Pumped Bus), передающая четыре 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 (например 800)), 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 собой совершенно новый P55 Ibex Peak. Фактически в новом решении сочетается расширенный функционал предыдущих версий южных мостов компании Intel, а также дополнительный контроллер PCI-Express для периферии.

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

Пропускная способность DMI составляет 2 Гбайт/с. Из-за столь невысоких значений инженеры Intel пошли на революционное решение, встроив контроллер памяти, PCI-Express 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 позволяет поддерживать достаточно высокую скорость при низком уровне латентности (от англ. Low-latency responses), она обеспечивает межпроцессорную связь, связь процессоров с сопроцессорами и процессоры с I/O Controller Hub. Технология 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 5,2×10⁹ посылок в секунду с частотой синхронизации сигнала на уровне 2,6 ГГц.

QPI. Построение новой системной шины от компании Intel, называемой QPI (от англ. Quick Path Interconnect, ранее известной как Common-System Interface, или CSI), 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 г. Данная технология является прямым конкурентом консорциума, во главе с компанией AMD, выпустившей системную шину HyperTransport.

Новая микроструктура процессорного ряда компании Intel – Nehalem является продолжением процесса модернизации модельного ряда архитектур Intel x86. Свое продолжение в 2010 г. 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») – служит 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.

Ранее шины PCI и PCI-Express уже были рассмотрены, поэтому здесь представим лишь небольшие комментарии и дополнения.

PCI-шина – шина для соединения материнской платы с периферийными устройствами различного рода. Постепенно заменяется шиной PCI Express.

PCI Express-шина использует 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 с взаимодействием между собой устройств через среду, образованную коммутаторами, с прямой связью каждого устройства соединением P2P.

Отличительными особенностями PCI Express являются:

• возможность горячей замены карт;
• последовательность;
• спецификация;
• возможность создания виртуальных каналов, гарантирования полосы пропускания и количества 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 шины PCI, использующей подключения к общей 32-разрядной параллельной двунаправленной шине, PCI Express использует двунаправленное последовательное соединение P2P, а соединение между двумя устройствами состоит из (2, 4, 8, 16, 32) двунаправленных линий.