Системная логика: дорога в будущее

Бронзовым веком системных плат стало появление PCI-шины и повсеместная под­держка центральным процессором кэширования опе­ра­тив­ной памяти. Этот шаг стал возможен бла­го­да­ря появлению фе­но­ме­наль­ных решений, над ко­то­ры­ми трудились ин­же­не­ры многих IT-компаний в условиях жесткой кон­ку­рен­ции и по­вы­шен­ной се­к­рет­но­сти. Тем не ме­нее, к на­ча­лу 90-х стала воз­мож­ной не только опе­ре­див­шая вре­мя пе­ре­до­вая шинная топология, но и новый виток ин­те­гра­ции сис­тем­ной логики. Мож­но сопоставить этот технологический прорыв с по­яв­ле­ни­ем процессора Intel 486, хо­тя он и его клоны благополучно со­су­ще­ство­ва­ли с кон­сер­ва­тив­ны­ми разработками, да­ле­ки­ми от совершенства.

Шагом в будущее стал набор системной логики от Intel, ознаменовавший не только старт шины Peripheral Component In­ter­con­nect, но и точку, с которой начался отсчет ма­те­рин­ских Intel-by-Intel. Речь идет о незаслужено забытом и за­мал­чи­ва­е­мом чип­се­те под кодовым названием Saturn, блок-схема которого приведена ниже.

Рис 1. Первый набор системной логики для процессора 80486 с поддержкой PCI-шины

Достойна упоминания системная шина CPU/Host Bus, ставшая прообразом Front Side Bus, — архитектурный подход почти на два десятка лет ставший определяющим. Использование PCI показательно: видеоадаптер, подсистема хра­не­ния данных и сетевой интерфейс до сих пор самые требовательные к быстродействию и пропускной спо­соб­но­сти. Плюс ко всему — интеграция портов ввода-вывода. Для этого законодатель компьютерной моды пред­ло­жил мон­ти­ро­вать Super I/O контроллер непосредственно на материнскую плату. Начиная с 486-х платформ становится пра­ви­лом хо­ро­ше­го тона использование Flash BIOS. Внедрение этой технологии также на счету Intel.

Эра Pentium

Два самых ярких чипсета с поддержкой процессоров Pentium — это Intel VX (с почти забытым сегодня кодовым именем Triton II) и его более новый и производительный компаньон Intel TX. Для этих наборов логики характерно фор­ми­ро­ва­ние концепции Южного моста, основа которой была заложена еще в микросхеме 82378IB из чипсета Saturn II.

Рис 2. Блок-схема системной платы на чипсете Intel TX с поддержкой процессоров Pentium

В чипсете Intel VX мост был обо­зна­чен аббревиатурой PIIX — PCI to IDE and ISA Xcelerator. Он стала каноническим ком­по­нен­том для построения вир­ту­аль­ных задач в Oracle VM Box — PIIX3 до сего дня одна из двух доступных про­грам­мных мо­де­лей Южного моста виртуальной компьютерной платформы. PIIX4 в составе чипсета TX, в котором в отличие от чипсета VX была под­держ­ка UDMA 33, жил долго и счастливо, и умер в один день, не в со­сто­я­нии обес­пе­чить поддержку Ultra ATA66.

Рис 3. Материнская плата Soyo 5XA на чипсете Intel TX, выполненная в форм факторе ATX

У персональных платформ, рассчитанных на работу с процессорами семейства Pentium или их многочисленными ана­ло­га­ми, была одна характерная особенность — распаянная на плате кэш-память второго уровня. Почти все они предусматривали питание от блока питания типа АТ, буквально единицы были выполнены в новом для того времени ATX-формате. Обязательным элементом для данного форм-фактора стали USB-разъемы, остававшиеся пока не­вос­тре­бо­ван­ным излишеством.

Хабовые структуры

Изначально платформы для Pentium II развивались в духе классической PCI-архитектуры. Очень удачным и столь же популярным стал чипсет Intel BX, состоящий из Северного и Южного мостов.

Рис 4. Блок-схема системной платы на чипсете Intel BX, оснащенной Accelerated Graphics Port

Характерная особенность — наличие AGP, кастомизированного варианта PCI-шины для графического адаптера. Этот порт, изначально способный поддерживать обмен только на частоте 66 МГц, устанавливался на материнскую плату в единственном экземпляре. На серверных платформах вместо него к этой PCI-шине подключались два сетевых чипа в продвинутой PCI-X версии.

Вскоре классику потеснил модерн: на смену чипсету Intel BX пришли наборы логики с абсолютной иной организацией взаимодействия — так называемые хабовые структуры.

Рис 5. Системная плата S2080 Tomcat производства Tyan на чипсете i815

В рамках хабового взаимодействия в архитектуре системной логики уже не нашлось места ISA-шине. Ее поддержка требовала дополнительного PCI-to-ISA моста, что не находило понимания у производителей: платы на системной логике Intel 800-й серии оснащались ISA-разъемами в редчайших случаях.

Рис 6. Блок-схема материнской платы AOpen AX3S на чипсете i815

Начиная с i810 в качестве ОЗУ использовались только DIMM-модули на основе синхронной динамической памяти. Южный мост получил название I/O Control Hub и поддерживал высокоскоростной параллельный интерфейс вза­и­мо­дей­ст­вия с накопителями. Микросхема BIOS подключалась непосредственно к нему и также требовала хабового ис­пол­не­ния.

Pentium 4 дает добро DDR SDRAM

Появление процессоров семейства Pentium 4 стало драматическим сюжетом в истории компьютерной техники: раз­ви­тие подсистемы памяти пошло по экстенсивному пути, навязанном компании Intel извне. За малым исключением чип­се­ты 800-й серии с поддержкой этих процессоров рассчитаны были на работу с DDR SDRAM. Еще одно кар­ди­наль­ное новшество — появление Serial ATA интерфейса для работы с жесткими магнитными дисками. С принятием спе­ци­фи­ка­ции USB 2.0 существенно возросла производительность универсальной последовательной шины.

Рис 7. Блок-схема одной из самых популярных платформ на базе чипсета i946GZ

Появление 900-й серии системной логики Intel связано с разработкой новой реализации — шины PCI Express. Увидел свет и новый двунаправленный интерфейс взаимодействия центрального процессора с системной логикой, су­ще­ст­ву­ю­щий по сей день — Direct Media Interface. Калейдоскоп версий чипсетов, переход от DDR к DDR2, смена про­цес­сор­но­го гнезда, появление встроенного в процессор графического ядра и даже отказ от NetBurst-архитектуры самого про­цес­со­ра — все это стало этапами стремительной эволюции компьютерных платформ, ведущей к тесной ин­те­гра­ции всех систем.

Курс на сближение

Дальнейшей интеграцией стал перенос контроллера памяти из Северного моста в кристалл процессора, ре­а­ли­зо­ван­ный c выходом наборов системной логики 5-й серии (после 900-й серии Intel фактически обнулил счетчик, начав но­вую ну­ме­ра­цию). Хабовая структура фактически потеряла смысл, сохранился только дуплексный DMI-линк, про­из­во­ди­тель­но­стью 8 GT/sec по каж­до­му из четырех каналов. Набор системной логики перестал быть таковым в силу того, что со­кра­тил­ся до одного чипа — Южного моста, в качестве которого задействован Platform Controller Hub (PCH).

Рис 8. Блок-схема платформы на базе чипсета Intel B250/H270

Начиная с чипсетов 7-й серии получила новое развитие и USB-шина. Ее функциональность вышла за первоначально очерченные пределы: добавилась двойная роль в схемах управления питанием и интеграция с процессорными ви­де­о­ин­тер­фей­са­ми — HDMI и дисплей-портом. Все это стало возможным, благодаря использованию нового конструктива портового разъема — USB Type C. Самый современный на данный момент чипсет пока еще поддерживает только об­мен данными по протоколу USB 3.1 Gen 1. SuperSpeed+ реализуется внешними по отношению к PCH контроллерами.