Контроллер микросхема отвечающий за управление и взаимодействие между процессором

Обновлено: 07.07.2024

Большинство ранних версий наборов микросхем Intel (и практически все наборы микросхем других производителей) созданы на основе многоуровневой архитектуры и содержат следующие компоненты: северный мост, южный мост и микросхему Super I/O.

Северный мост. Представляет собой соединение быстродействующей шины процессора (400/266/200/133/100/66 МГц) с более медленными шинами AGP (533/266/ 133/66 МГц) и PCI (33 МГц). Обозначение микросхемы северного моста зачастую дает название всему набору микросхем; например, в наборе микросхем 440BX номер микросхемы северного моста — 82443BX.
Южный мост. Является мостом между шиной PCI (66/33 МГц) и более медленной шиной ISA (8 МГц).
Super I/O. Отдельная микросхема, подсоединенная к шине ISA, которая фактически не является частью набора микросхем и зачастую поставляется сторонними производителями, например National Semiconductor и Standard Microsystems Corp. (SMSC). Микросхема Super I/O содержит обычно используемые периферийные элементы, объединенные в одну микросхему. Следует отметить, что впоследствии микросхемы южного моста включили в себя функциональность Super I/O, так что в современных материнских платах отдельная микросхема Super I/O отсутствует.

Расположение всех микросхем и компонентов типичной системной платы AMD Socket A, использующей архитектуру “северный/южный мост”, показано на рис. 4.30. Северный мост иногда называют контроллером PAC (PCI/AGP Controller). В сущности, он является основным компонентом системной платы и единственной, за исключением процессора, схемой, работающей на полной частоте системной платы (шины процессора). В современных наборах микросхем используется однокристальная микросхема северного моста; в более ранних версиях содержалось до трех отдельных микросхем, составляющих полную схему северного моста.

Южный мост обладает более низким быстродействием и всегда находится на отдельной микросхеме. Одна и та же микросхема южного моста может использоваться в различных наборах микросхем системной логики. (Разные типы схем северного моста, как правило, разрабатываются с учетом того, чтобы можно было использовать один и тот же компонент южного моста.) Благодаря модульной конструкции набора микросхем системной логики стало возможным снизить стоимость и расширить поле деятельности для изготовителей системных плат. Южный мост подключается к шине PCI (33 МГц) и содержит интерфейс шины ISA (8 МГц). Кроме того, обычно он содержит две схемы, реализующие интерфейс контроллера жесткого диска IDE и интерфейс USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. В старых конструкциях южный мост содержал также все компоненты, необходимые для шины ISA, включая контроллер прямого доступа к памяти и контроллер прерываний.

Микросхема Super I/O, которая является третьим компонентом системной платы, соединена с шиной ISA (8 МГц) и содержит все стандартные периферийные устройства, встроенные в системную плату. Например, большинство микросхем Super I/O поддерживают параллельный порт, два последовательных порта, контроллер гибких дисков, интерфейс “клавиатура/мышь”. К числу дополнительных компонентов могут быть отнесены CMOS RAM/Clock, контроллеры IDE, а также интерфейс игрового порта. Системы, содержащие порты IEEE-1394 и SCSI, используют для портов этого типа отдельные микросхемы.

В новых системных платах с микросхемами северного и южного мостов представлена микросхема Super-South Bridge, которая включает в себя функциональные возможности сразу двух микросхем — собственно южного моста и Super I/O.

Hub-архитектура

Новые наборы микросхем системной логики от Intel используют архитектуру концентратора (hub-архитектуру), в которой бывший северный мост называется концентратором контроллера памяти (Memory Controller Hub — MCH), а южный — концентратором контроллера ввода-вывода (I/O Controller Hub — ICH). Системы с интегрированной графикой вместо стандартного MCH используют концентратор контроллера графической памяти (Graphics Memory Controller Hub — GMCH).

Вместо соединения этих контроллеров через шину PCI, как в стандартной архитектуре “северный/южный мост”, взаимодействие между ними осуществляется через выделенный интерфейс концентратора, быстродействие которого вдвое выше, чем быстродействие PCI. Hub-архитектура обладает определенными преимуществами по сравнению с традиционной архитектурой “северный/южный мост”.

Увеличенная пропускная способность. Пропускная способность интерфейса AHA (Accelerated Hub Architecture), используемой в наборах микросхем 8xx, вдвое выше пропускной способности PCI. В наборах микросхем серий 3xx и 9xx используется еще более ускоренная архитектура DMI (Direct Media Interface), которая быстрее PCI в 7,5–14 раз.
Уменьшенная загрузка PCI. Hub-интерфейс не зависит от PCI и не участвует в перераспределении полосы пропускания шины PCI или Super I/O. Это повышает эффективность остальных устройств, подсоединенных к шине PCI, при выполнении групповых операций.
Уменьшение монтажной схемы. Несмотря на удвоенную по сравнению с PCI пропускную способность, hub-нтерфейс имеет ширину, равную 8 разрядам, и требует для соединения с системной платой всего лишь 15 сигналов. Шине PCI для выполнения подобной операции требуется не менее 64 сигналов, что приводит к повышению генерации электромагнитных помех, ухудшению сигнала, появлению “шума” и в конечном итоге — к увеличению себестоимости плат.

Существует два основных варианта интерфейса концентратора.

Конструкция hub-интерфейса, ширина которого равна 4 или 8 бит, довольно экономична. Ширина интерфейса может показаться недостаточной, но такая конструкция полностью себя оправдывает. Меньшее число выводов говорит об упрощенной схеме маршрутизации платы, снижении количества помех и повышении устойчивости сигнала. Это также сокращает число выводов используемых микросхем, уменьшает их размеры и себестоимость. Таким образом, посредством очень узкой, но быстродействующей архитектуры интерфейс концентратора достигает высших показателей быстродействия, чем те, на которые была способна старая архитектура “северный/южный мост”.

Кроме того, в ICH содержится новая шина Low-Pin-Count (LPC), представляющая собой 4-разрядную версию шины PCI, которая была разработана, в первую очередь, для поддержки микросхем системной платы ROM BIOS и Super I/O. Вместе с четырьмя сигналами функций данных, адресов и команд для функционирования шины требуется девять дополнительных сигналов, что составляет в общей сложности 13 сигналов. Это позволяет значительно уменьшить количество линий, соединяющих ROM BIOS с микросхемами Super I/O. Для сравнения: в ранних версиях наборов микросхем в качестве интерфейса между северным и южным мостами использовалась шина ISA, количество сигналов которой равно 98. Максимальная пропускная способность шины LPC достигает 16,67 Мбайт/с, что примерно соответствует параметрам ISA и чего более чем достаточно для поддержки таких устройств, как ROM BIOS и микросхемы Super I/O.

Высокоскоростные соединения между микросхемами северного и южного мостов

Intel — не единственная компания, которая стремится заменить медленное соединение по шине PCI между микросхемами северного и южного мостов более производительной альтернативой, не основанной на шине PCI. Ниже описываются подобные архитектуры, созданные несколькими компаниями.

Технические характеристики наборов микросхем от разных производителей представлены в таблице ниже.

Первые наборы микросхем системной логики 386/486 компании Intel

Первый набор микросхем системной логики 82350 предназначался для процессоров 386DX и 486. Но он успеха не имел, так как шина EISA не получила широкого распространения, к тому же многие производители выпускали наборы микросхем для этих процессоров. Однако ситуация на рынке постоянно изменялась, Intel отказалась от поддержки шины EISA, и последующие наборы микросхем системной логики для процессора 486 были намного удачливее.

В таблице ниже перечислены наборы микросхем системной логики для процессора Intel 486.

В наборе микросхем 420 впервые была представлена архитектура “северный/южный мост”, которая продолжает использоваться в некоторых моделях и по сей день.

Пятое поколение микросхем системной логики Pentium (P5)

Одновременно с процессором Pentium в марте 1993 года Intel представила свой первый набор микросхем системной логики 430LX (под кодовым названием Mercury) для Pentium. Именно в этот год Intel серьезно занялась проектированием наборов микросхем системной логики и приложила все усилия, чтобы стать лидером на рынке. И поскольку у других производителей на проектирование наборов микросхем системной логики уходило несколько месяцев, а то и год, Intel очень скоро добилась своей цели. В табл. 4.14 перечислены наборы микросхем системной логики Intel для системных плат Pentium. Обратите внимание, что один из них не поддерживает порты AGP — эта поддержка была добавлена только в наборы микросхем, предназначенные для процессоров семейства Pentium II/Celeron.

Примечание!
Стандарт PCI 2.1 поддерживает параллельное выполнение операций на шине PCI.

В таблице ниже перечислены все микросхемы южного моста, составляющие вторую часть наборов микросхем системной логики пятого поколения процессоров на системных платах Intel.

Наборы микросхем для процессоров Pentium, перечисленные в таблицах, не выпускаются уже на протяжении нескольких лет. Основная часть компьютеров, в которых они использовались, уже давно находится на “свалке истории”.

Толчком к созданию наборов микросхем системной логики класса, отличного от Pentium, послужила разработка компанией AMD собственных аналогов Pentium — процессоров семейств K5 и K6. Процессор K5 не достиг больших успехов; в отличие от него процессоры семейства K6 заняли доминирующее положение на рынке недорогих систем, а также стали использоваться для модернизации систем Pentium. Компания AMD чаще использует компоненты сторонних производителей, чем собственные наборы микросхем. Но возможность своевременной поставки соответствующих наборов микросхем, позволяющих поддерживать продукты AMD, сделала процессор K6 и его наследников наиболее вероятными конкурентами процессоров семейств Intel Pentium MMX и Pentium II/III/Celeron. Эта же возможность подтолкнула других поставщиков, таких как VIA, Acer Laboratories и SiS, к поддержке процессоров AMD. К наиболее распространенным наборам микросхем для процессоров класса Pentium относятся следующие:

Компьютер (микрокомпьютер) — это набор электронных устройств, который выполняет обработку информации (данных). Концепция обработки данных очень широка, поскольку она охватывает как обработку простых и сложных текстов, так и организацию баз данных, выполнение финансовых расчетов, а также обработку графики и звука практически в любой форме. Используя компьютер, можно управлять другими устройствами.

Чтобы правильно и эффективно использовать компьютер, требовались обширные знания в области электроники. Многие ведущие компании в этой области разработали и усовершенствовали интегральные схемы, использованные в первых компьютерах, и создали системы крупномасштабной интеграции, называемые чипсетами. Какую серьезную и ответственную роль они играют в компьютерах?

Взаимодействие отдельных систем, таких как центральный блок, базовая оперативная память и специальная память, требует дополнительных логических систем, которые координируют их работу. Целью этих систем является, среди прочего, декодирование адресов для генерации сигналов синхронизации и управления для конкретных систем. В ранних решениях для материнских плат эти схемы были построены с использованием множества интегральных схем, что привело к их большому количеству на материнской плате. С развитием технологий все больше и больше этих систем подвергались масштабной интеграции и назывались чипсетами.

Чипсет обычно представляет собой две самые большие интегральные схемы, называемые северным и южным мостами, чипсет контролирует всю плату и контролирует связь между всеми компонентами компьютера. Наиболее популярными компаниями-производителями чипсетов являются Intel, Via, AMD, Ali, SIS.

Наборы микросхем представляют собой набор специализированных интегральных микросхем с очень высокой степенью интеграции, которые при проектировании материнских плат отвечают за обеспечение взаимодействия отдельных элементов, составляющих компьютерную систему. Его задача — организовать обмен информацией между отдельными компонентами компьютера. Он действует как посредник между процессором и совместимыми с ним устройствами. Все данные, отправляемые из основной памяти на процессор, «проходят» через чипсет.

Чипсет обычно состоит из одной или четырех отдельных систем (чипов), иногда распределенных по разным частям платы. В зависимости от типа чипсет может содержать следующее:

- контроллер кеша L2;

- контроллер процессора, включающий поддержку кэша первого уровня L1 (каждый набор микросхем адаптирован для работы только с процессорами определенного типа (типов), поэтому процессор сначала разрабатывается в процессе производства, а затем для него создается подходящий набор микросхем, используя его возможности такие как тактовая частота);

- контроллер шины PCI, ISA — ширина шины, тактовая частота;

- контроллер IDE / EIDE;

- контроллер прерываний IRQ;

- контроллер канала DMA;

- часы реального времени RTC;

- контроллер мыши — порт (PS / 2);

- контроллер гибких дисков (FDD);

- контроллер параллельного порта (разъем Centronics);

- контроллер последовательного порта (RS232, USB);

- экономное управление энергопотреблением.

Чипсет также включает в себя поддержку систем, состоящих из более чем одного процессора (архитектура SMP Symmetric Multi-Processing). Роль чипсета заключается в том, чтобы управлять процессорами, чтобы они одновременно использовали разные задачи и не «мешали друг другу». Это решение в основном используется на сетевых серверах, которые требуют высокой эффективности и скорости.

Производители стремятся к тому, чтобы все больше и больше контроллеров встраивались непосредственно в чип (ы) чипсета, а также стремятся уменьшить количество чипсетов, которые в нем содержатся, сохраняя при этом его технические возможности. Чипсет как неотъемлемая часть всей платы неразрывно связан с ней, соединением, с которым его невозможно заменить, как это происходит с другими элементами компьютера. Поэтому замена чипсета эквивалентна замене всей материнской платы.

При обсуждении материнских плат часто используют такие термины как северный или южный мост. Подобная терминология часто сбивает с толку неопытных пользователей, они не могут разобраться, что такое северный и южный мост, где они находятся и за что отвечают. Кроме этого, пользователи часто путают северный мост с южным и не могут запомнить их расположение на материнской плате. Если вы также не уверены в данном вопросе, то предлагаем ознакомиться с нашей статьей.

Что такое северный и южный мост

Мост – это чип, который распаян на материнской плате и является частью чипсета. Традиционно чипсет материнской платы состоит из двух чипов, которые называют северным и южным мостом.

Данные чипы называют мостами потому, что они выполняют связующую функцию между центральным процессором компьютера и остальными комплектующими. Что касается названий «северный» и «южный», то эти названия указывают на расположение данных чипов на материнской плате. По аналогии с полюсами на глобусе, северный мост находится ближе к верхней, а южный ближе к нижней части платы.

Нужно отметить, что на современных материнских платах два моста больше не используется. Вместо северного и южного мостов теперь используется исключительно южный мост, так как все функции северного моста были интегрированы в процессор.

Где находится северный и южный мост

Как уже было сказано, северный мост (на фото № 1) – это чип, который располагается в верхней части материнской платы, сразу под процессором. Такое расположение обусловлено тем, что северный мост подключается напрямую к центральному процессору компьютера. Обычно на северном мосту расположен массивный радиатор или даже радиатор с вентилятором, поскольку данный мост греется значительно сильнее южного.

Северный (1) и южный мост (2) на материнской плате.

Южный мост (на фото № 2) – это чип в нижней части материнской платы. Обычно на нем расположен более мелкий радиатор, на некоторых материнских платах южный мост вообще не комплектуется радиатором. В современных материнских платах чипсет может состоять только из одного южного моста.

За что отвечает северный и южный мост

Для того чтобы понять, за что отвечает северный и южный мост достаточно взглянуть на блок схему типичного компьютера.

В верхней части блок схемы вы видите ЦПУ – это центральный процессор. Он с помощью шины подключен к северному мосту, который в свою очередь подключен к слоту графического адаптера (PCI Express или AGP), к шине памяти и к южному мосту. Таким образом, северный мост отвечает за связь центрального процессора с графическим адаптером, памятью и южным мостом. Также от северного моста зависят параметры работы системной шины, оперативной памяти и видео адаптера.

Блок схема типичного компьютера.

Южный мост отвечает взаимодействие с внешними устройствами и остальные функции материнской платы. Он включает в себя контроллеры PCI Express, PCI, SATA, PATA, RAID, USB, Ethernet, Firewire и т.д. Также южный мост отвечает за управление питанием, энергонезависимую память BIOS и прерывания. Взаимодействие южного моста с процессором происходит через северный мост.

Поскольку южный мост напрямую работает со внешними устройствами, которые подключаются к компьютеру, то вероятность его поломки значительно выше, чем вероятность поломки северного моста. Часто причиной преждевременной смерти южного моста становится короткое замыкание USB-разъема или подключение неисправного накопителя. Северная часть чипсета также может выйти из строя, но, для нее более характерной проблемой является перегрев.

Нужно отметить, что в случае поломка моста не обязательно выбрасывать всю материнскую плату. Во многих случаях проблему можно решить заменой чипа на новый или бывший в использовании с аналогичной платы. Но, такую процедуру обычно делают на только дорогих материнских платах, поскольку на бюджетных моделях это экономически не целесообразно.

Наиболее важные компоненты компьютера располагаются на системной плате. Основа любой системной платы — чипсет, то есть набор микросхем, обеспечивающих взаимодействие между процессором, памятью, накопителями и другими устройствами. В его состав входят два основных чипа, которые обычно называются северным (Northbridge) и южным (Southbridge) мостами.

Иногда северный мост называют системным контроллером, а южный — функциональным контроллером. В чипсетах для процессоров Intel северный мост обозначается МСН (Memory Controller Hub), а южный — ICH (Input/Output Controller Hub).
Основная задача северного моста — обеспечить связь процессора с оперативной памятью и видеосистемой. Данными процессор и северный мост обмениваются с помощью шины FSB, северный мост и оперативная память — с помощью специальной шины памяти, северный мост и видеосистема — с помощью PCI Express (в устаревших чипсетах — с помощью шины AGP). В некоторых чипсетах в состав северного моста также входит интегрированный видеоадаптер.

Северный мост сильно нагревается во время работы, поэтому для его охлаждения используют радиатор, а в некоторых случаях и вентилятор.
В чипсетах для процессоров Athlon 64/Х2 и Phcnom контроллер оперативной памяти интегрирован непосредственно в процессор, а северный мост выполняет функции контроллера PCI Express. Чипсеты для современных процессоров Athlon/Phenom выпускают компании AMD, nVidia и VIA, причем чипсеты nVidia могут состоять всего из одного чипа, который совмещает функции северного и южного мостов.
Южный мост обменивается данными с северным мостом и различными периферийными устройствами. Большинство контроллеров периферийных устройств интегрировано непосредственно в южный мост.

Вот функциональный состав типичного южного моста:

контроллер IDE;
контроллер Serial ATA/RAID;
контроллер дисковода;
контроллер шин PCI и ISA;
USB-контроллер;
звуковой контроллер;
сетевой интерфейс;
контроллеры портов ввода/вывода.

Кроме того, южный мост взаимодействует с микросхемами BIOS и CMOS1. Во многих современных чипсетах микросхема CMOS интегрирована в состав южного моста.

Читайте также: