Современные чипсеты

Андрей Борзенко

Несмотря на то что набор микросхем, или чипсет, определяет большинство возможностей системной платы и, как следствие, всего ПК, он, на первый взгляд, всегда находится в тени обслуживаемого им микропроцессора. На самом деле разработчики уделяют чипсетам огромное внимание.

Контроллер ввода-вывода Intel 82801
Микросхемы хранения микропрограмм Intel 82802

Понятно, что чипсет должен работать с вполне определенным классом микропроцессоров, поэтому для 486-, Pentium-, Pentium II/III-систем существуют специальные наборы. Чипсеты накладывают ограничение на тактовую частоту используемых микропроцессоров и на количество разъемов системной платы, предназначенных для модулей памяти, а кроме того, определяет максимальный размер оперативной памяти (ОЗУ) и кэш-памяти второго уровня. Тип ОЗУ также зависит от набора микросхем.

Одним из важнейших предназначений чипсета является управление обменом данными между компонентами системной платы. Он выполняет работу "моста", т. е. соединяет между собой устройства, подключенные к различным шинам, и управляет ими. Он же поддерживает группу функций, позволяющих сократить потребление компьютером энергии.

В чипсете выделяют несколько основных микросхем "северного" и "южного" моста. Под термином Northbridge понимают кристаллы, на которых реализованы контроллеры кэш- и основной памяти, а также шины PCI. В микросхеме Southbridge обычно имеются периферийные контроллеры либо контроллеры жесткого диска и портов. Преимущество подобных микросхем состоит в том, что они могут использоваться в различных чипсетах.

Кратко рассмотрим несколько современных чипсетов, выпускаемых в настоящее время корпорацией Intel (http://www.intel.com).

Чипсеты серии 800

i810. Набор микросхем i810 (Whitney) с интегрированной графикой относится к нижней ценовой категории и предназначен в первую очередь для процессоров Intel Celeron. Он имеет новую архитектуру AHA (Accelerated Hub Architecture), благодаря которой исключены все характерные недостатки наборов логики с интегрированной графикой.

В отличие от чипсетов предыдущих поколений i810 имеет:

• интегрированный кодек AC97;
• поддержку протокола Ultra ATA/66;
• системную шину 66 и 100 МГц;
• поддержку от четырех до шести PCI-устройств;
• интегрированную графическую подсистему;
• синхронный и асинхронный интерфейсы памяти, поддерживающие PC100 SDRAM;
• интегрированный генератор случайных чисел.

Набор i810 состоит из трех кристаллов:

• контроллера памяти и графики Intel 82810 Graphics & Memory Controller Hub (GMCH);
• контроллера ввода-вывода Intel 82801 I/O Controller Hub (ICH);
• микросхемы хранения микропрограмм Intel 82802 Firmware Hub (FWH).

i810 - первый чипсет, в котором Intel реализовала АНА-архитектуру. Все последующие перспективные наборы микросхем также основаны именно на ней. Архитектура ускоренного обмена АНА обеспечивает полосу пропускания 266 Мб/с - в два раза выше, чем шина PCI. Это дает возможность увеличить поток информации от контроллера ввода-вывода к контроллеру памяти, что, наряду с оптимизированным управлением потоками данных, позволяет эффективнее исполнять несколько функций одновременно, в частности более реалистично воспроизводить аудио- и видеоинформацию.

Дело в том, что пропускной способности PCI, которая обычно соединяла компоненты предыдущих чипсетов, стало недоставать. А вот при использовании AHA-архитектуры любое из устройств, напрямую подключенных к концентратору, может обмениваться данными с другим устройством практически без падения скорости. В новой архитектуре не осталось шин, работающих на частоте 33 МГц и связывающих при этом жизненно важные компоненты системы.

Центральную роль в архитектуре i810 играет контроллер GMCH. Им поддерживается системная шина с тактовой частотой не только 66, но и 100 МГц. Встроенный в GMCH 64-разрядный контроллер памяти взаимодействует с памятью типа EDO PC100 SDRAM (100 МГц). В GMCH интегрировано графическое ядро от видеопроцессора i752. Для создания реалистичных двух- и трехмерных эффектов и изображений в нем служат технологии Direct AGP и D.V.M.T. (Dynamic Video Memory Technology). Эти два нововведения призваны увеличить скорость интегрированной графической подсистемы, в первую очередь за счет достижения большей скорости работы с памятью. Дело в том, что видеопамять функционирует со скоростью 2-3 Гб/с, а доступ к ней с помощью шины AGP, применяемой в настоящее время во всех интегрированных чипсетах, возможен только со скоростью 533 Мб/с. Архитектура Direct AGP позволяет работать с системной памятью, используемой для видеоданных, напрямую, через ее контроллер. Поэтому скорость графического ядра с памятью у i810 выше, чем у других интегрированных чипсетов, имеющих стандартный интерфейс AGP (800 Мб/с против 533 Мб/с). В свою очередь технология D.V.M.T., базирующаяся на Direct AGP, предусматривает выделение памяти для видеоданных по мере необходимости. Таким образом, достигается большая гибкость в использовании системной памяти, которая расходуется рациональнее.

С целью повышения качества программного воспроизведения DVD контроллер 82810 использует аппаратную компенсацию перемещений изображения. Он снабжен также цифровым видеовыходом для подключения к обычным телевизорам или к плоским цифровым дисплеям.

Контроллер памяти и графики Intel 82815
Контроллер ввода-вывода Intel 82801

Вторым по значимости концентратором в архитектуре i810 является микросхема ICH, выполняющая функции ввода-вывода. В ней применяется архитектура АНА для прямого обмена графической подсистемы и системной памяти с интегрированным кодеком AC97, контроллерами IDE, сдвоенными портами USB и дополнительными картами на шине PCI. Набор i810 стал первым чипсетом без встроенной поддержки шины ISA. Однако это не означает, что на платах с i810 нельзя устанавливать ISA-слоты. Микросхему дополнительного ISA-контроллера можно просто подключить к шине PCI. Контроллер дисководов и портов, традиционно подсоединявшийся к шине ISA, теперь подключается через специализированную четырехразрядную шину LPC (33 МГц).

Набор i810 стал также первым чипсетом Intel, поддерживающим интерфейс Ultra ATA/66 и позволяющим передавать данные от жесткого диска к ICH со скоростью до 66 Мб/с.

Интегрированный аудиокодек AC97 обеспечивает работу как программ, воспроизводящих звук, так и программ, реализующих функции модема, благодаря возможности использования ресурсов центрального микропроцессора. Это обеспечивает универсальность и повышает качество воспроизведения звука, одновременно снижая стоимость системы за счет уменьшения числа применяемых компонентов.

Микросхема хранения микропрограмм (4 или 8 Мбит флэш-памяти) содержит системную и видео BIOS, уменьшая таким образом количество микросхем энергонезависимой памяти. Кроме того, микросхема 82802 содержит высокоэффективный аппаратный генератор случайных чисел, основанный на реальном физическом процессе. Это позволяет существенно повысить безопасность за счет поддержки таких функций, как шифрование, электронная подпись и безопасные протоколы передачи данных.

Архитектура набора i810E практически целиком повторяет архитектуру своего предшественника. Тем не менее i810E поддерживает системную шину с максимальной тактовой частотой 133 МГц. В этом наборе реализован уникальный механизм арбитража с зацеплением, обеспечивающий "гладкую" работу с любой процессорной шиной: 66, 100 и 133 МГц. Значительное повышение производительности достигается за счет поддержки локальной видео кэш-памяти, работающей на частотах 133 и 100 МГц. i815. Набор i815 (Solano) является наследником очень удачного чипсета Intel - i440BX, хотя поддерживает только 512 Мб основной памяти против 1 Гб у i440BX. Чипсет состоит из трех основных концентраторов:

• контроллера памяти и графики Intel 82815 Graphics and Memory Controller Hub (GMCH);
• контроллера ввода-вывода Intel 82801 I/O Controller Hub (ICH);
• микросхемы хранения микропрограмм Intel 82802 Firmware Hub (FWH).

Микросхема GMCH чипсета Intel 815 объединяет контроллер памяти и интегрированное графическое ядро. Она обеспечивает интерфейс с микропроцессором, системной памятью и внешним портом AGP 4x. В микросхеме реализована поддержка PC133 SDRAM, которая может быть разделена на шесть банков памяти (три слота DIMM).

Контроллер памяти Intel 82820

Что касается встроенной графики, то тут никаких изменений по сравнению с i810 практически не произошло. Однако графическая подсистема легко модернизируется путем установки ускорителя GPA (Graphics Performance Accelerator) или внешнего адаптера AGP 4х, что позволяет достичь максимальной производительности при работе с трехмерной графикой и видео.

В наборе i815E в качестве контроллера ввода-вывода используется микросхема Intel 82801BA (ICH2). Этот чип обеспечивает пропускную способность подсистемы ввода-вывода вдвое выше, чем при традиционной архитектуре, и предоставляет выделенные информационные каналы для дальнейшего ее наращивания. Одним из его основных отличий является встроенная поддержка интерфейса Ultra ATA/100, благодаря которому достигается максимальная скорость обмена данными 100 Мб/с. Второе важное нововведение в ICH2 - наличие интегрированного LAN-контроллера i82559. Сетевая поддержка осуществляется в трех различных средах (1 Мбит/с домашний PNA, 10/100 Мбит/с LAN и управляемый 10/100 Мбит/с LAN). Все три решения используют технологию SingleDriver: общий набор драйверов, упрощающий структуру сети и облегчающий процесс ввода систем в действие.

Число портов USB в ICH2 доведено до четырех против двух в ICH, а каналов кодека АС97 - до шести. i820. Набор микросхем i820 (Camino) предназначен для работы с памятью типа RDRAM, он поддерживает 133 МГц системную шину и благодаря технологии AGP 4х увеличивает производительность графического интерфейса AGP 2.0. Так же, как и остальные наборы серии 800, чипсет i820 состоит из трех кристаллов:

• контроллера памяти Intel 82820 Memory Controller Hub (MCH);
• контроллера ввода-вывода Intel 82801 I/O Controller Hub (ICH);
• микросхемы хранения микропрограмм Intel 82802 Firmware Hub (FWH).

Как видно, основные отличия сосредоточены в самом важном контроллере - i82820. Контроллер MCH поддерживает работу одного или двух микропроцессоров в зависимости от версии микросхемы (82820 или 82820DP). В него добавлена поддержка тактовой частоты системной шины 133 МГц. i820 стал первым чипсетом Intel, в котором нет поддержки памяти типа SDRAM. Вместо нее в MCH имеется контроллер Rambus, обеспечивающий работу двух слотов RIMM, с памятью типа RDRAM общим объемом до 512 Мб (или 1 Гб при использовании микросхем с плотностью 256 Мбит). Протокол RDRAM отвечает требованиям стандартов PC600, PC700 и PC800 RDRAM. В частности, для PC800 теоретическая полоса пропускания равна 1,6 Гб/с. i820 первым из наборов Intel стал поддерживать шину AGP 2.0 с режимом 4x. Напомним, что благодаря увеличению в два раза частоты сигнала синхронизации скорость передачи данных через порт в этом режиме возрастает также вдвое - с 528 Мб/с (AGP 2x) до 1,06 Гб/с (AGP 4x). Кроме того, имеется режим быстрой записи, благодаря чему данные в видеоподсистему из исполнительного блока могут передаваться напрямую, а не через системную память, как это делается обычно.

Концентратор MTH (Memory Translator Hub) не входит в базовый комплект i820. Он был спроектирован Intel для обеспечения совместимости данного чипсета с памятью типа PC100 SDRAM и предназначен для трансляции обращений к RDRAM в обращения к SDRAM. Таким образом, добавив микросхему MTH на системную плату с набором i820, можно использовать на ней стандартные слоты DIMM, поддерживающие память PC100 SDRAM.

Платформа на основе набора микросхем i820 имеет несколько элементов управления системой, позволяющей снизить общую стоимость владения (TCO), включая индикатор процессора (CPU Present Indicator), индикатор механического вмешательства, запрет функций и таймер TCO.

От i820 набор i820E отличается наличием контроллера ввода-вывода Intel 82801BA (ICH2).

Наборы для перспективных микропроцессоров

Как стало известно на Форуме разработчиков Intel, чипсетом для Pentium 4 (Willamette) станет набор микросхем i850 (Tehama), поддерживающий RDRAM. В качестве "южного" моста в нем будет использоваться уже известная по чипсету i815E микросхема ICH2. Кристалл Tehama MCH станет использовать упаковку типа flip-chip и потребует охлаждающего радиатора.

Набор Tehama поддерживает два канала Rambus и способен функционировать с двумя частотами системной шины (FSB): 100 и 133 МГц. В зависимости от режима передачи и тактовой частоты пропускная способность системной шины и каналов памяти составит 3,2 Гб/с. Объем памяти с контролем и исправлением ошибок (ECC) может варьироваться от 1 до 2 Гб.

В III квартале 2001 г. Intel планирует выпустить микропроцессор Northwood, построенный на архитектуре Willamette, но изготовленный по 0,13-микронной технологии и имеющий ряд усовершенствований. Northwood будет использоваться с чипсетом Tehama, правда, усиленным новым "южным" мостом ICH3. Главное нововведение в этом кристалле - поддержка интерфейса USB 2.0 (до шести портов). В остальном же возможности ICH3 совпадают с ICH2: Ultra ATA/100, интегрированный LAN-контроллер, кодек AC97 и т.д. Что же касается такой функции, как поддержка последовательного интерфейса Serial ATA, то она появится только во II квартале 2002 г., когда ожидается выход микросхемы ICH4. Использование ICH3 будет единственным отличием чипсетов Tehama и TehamaE. "Северный" мост в обоих этих наборах логики один и тот же.

Кроме того, ICH3 будет применяться с набором Brookdale, предназначенным для Pentium 4. Intel специально создает его для работы с памятью типа SDRAM (133 МГц) взамен более дорогой RDRAM. Есть также информация, что Brookdale в конечном итоге сможет взаимодействовать и с SDR, и с DDR SDRAM, но не одновременно. Системы, построенные на Northwood и Brookdale (стоимостью около 1000 долл.), должны появиться на рынке в I квартале 2002 г.

Tualatin - кодовое название будущего Pentium III, выполненного с учетом проектных норм 0,13 мкм и с тактовой частотой 866 МГц. Его выпуск ожидается в конце II - начале III квартала следующего года. Главное усовершенствование нового микропроцессора - переход к более быстрой 200 МГц системной шине. Для ее поддержки Intel планирует выпустить специальный чипсет Almador. Вокруг этого набора уже ходит немало слухов, в частности о том, что Almador должен стать последователем i815, поддерживающим DDR/SDR SDRAM.

В 2002 г. Intel намерена представить еще два новых чипсета Next Generation для систем, построенных на Pentium 4 и Northwood с поддержкой памяти типа DDR SDRAM.

Статья опубликована в PC Week/RE № (262)40 от 10/31/00, стр. 18
Перепечатывается с разрешения автора.