Работу каких устройств обеспечивает контроллер концентратор памяти северный мост

Обновлено: 05.07.2024

Следующую статью хотелось бы посвятить описанию устройства и работы компьютеров принципов взаимодействия систем и компонентов.

Одним из основным составляющим компонентом материнской платы будь то компьютера либо ноутбука является Северный мост (англ. Northbridge; в отдельных чипсетах Intel, также — контроллер-концентратор памяти с английского Memory Controller Hub, рис.1)

MCH является системным контроллером чипсета на материнской плате платформы x86, к которому в рамках организации взаимодействия подключено следующие оборудование:

через Front Side Bus — микропроцессор, если в составе процессора нет контроллера памяти, тогда через шину контроллера памяти подключена— оперативная память.
через шину графического контроллера — видеоадаптер (в материнских платах нижнего ценового диапазона, видеоадаптер часто встроенный. В таком случае северный мост, произведенный Intel, называется GMCH (от англ. Chipset Graphics and Memory Controller Hub).

Название чипа как «Северный мост» можно объяснить представлением архитектуры чипсета в виде карты. В результате процессор будет располагаться на вершине карты, на севере (рис.3).

Исходя из назначения, северный мост определяет параметры (возможный тип, частоту, пропускную способность):

системной шины и, косвенно, процессора (исходя из этого — до какой степени может быть разогнан компьютер);
оперативной памяти (тип — например SDRAM, DDR, DDR2, её максимальный объем);
подключенного видеоадаптера.

Во многих случаях именно параметры и быстродействие северного моста определяют выбор реализованных на материнской плате шин расширения (PCI, PCI Express) системы.

В свою очередь, северный мост соединён с остальной частью материнской платы через согласующий интерфейс и южный мост. Когда технологии производства не позволяют скомпенсировать возросшее, вследствие усложнения внутренней схемы, тепловыделение чипа, современные мощные микросхемы северного моста помимо пассивного охлаждения (радиатора) для своей бесперебойной работы требуют использования индивидуального вентилятора или системы жидкостного охлаждения, что в свою очередь увеличивает энергопотребление всей системы и требует более мощного блока питания.

Минуя северный мост согласно нашей схеме двигаясь на юг на материнской плате расположен южный мост.

Южный мост (от англ. Southbridge) (функциональный контроллер), также известен как контроллер-концентратор ввода-вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH, рис.2).

рис.2 Southbridge

Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «Центральный процессор-ОЗУ») взаимодействия (например, Low Pin Count, Super I/O или разъёмы шин для подключения периферийных устройств) на материнской плате с ЦПУ через Северный мост, который, в отличие от Южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору.

Если взять функциональность, то южный мост включает в себя:

контроллеры шин PCI, PCI Express, SMBus, I2C, LPC, Super I/O;
DMA контроллер;
контроллер прерываний;
PATA (IDE) и SATA контроллеры;
часы реального времени (Real Time Clock);
управление питанием (Power management, APM и ACPI);
энергонезависимую память BIOS (CMOS);
звуковой контроллер (обычно AC'97 или Intel HDA).

Опционально южный мост также может включать в себя контроллер Ethernet, RAID-контроллеры, контроллеры USB, контроллеры FireWire, аудио-кодек и др. Реже южный мост включает в себя поддержку клавиатуры, мыши и последовательных портов, но обычно эти устройства подключаются с помощью другого устройства — Super I/O (контроллера ввода-вывода).

Поддержка шины PCI включает в себя традиционную спецификацию PCI, но может также обеспечивать и поддержку шины PCI-X и PCI Express. Хотя поддержка шины ISA используется достаточно редко, она все таки является неотъемлемой частью современного южного моста. Шина SM используется для связи с другими устройствами на материнской плате (например, для управления вентиляторами). Контроллер DMA позволяет устройствам на шине ISA или LPC получать прямой доступ к оперативной памяти, обходясь без помощи центрального процессора.

Контроллер прерываний обеспечивает механизм информирования ПО, исполняющегося на ЦПУ, о событиях в периферийных устройствах. IDE интерфейс позволяет «увидеть» системе жёсткие диски. Шина LPC обеспечивает передачу данных и управление SIO (это такие устройства, как клавиатура, мышь, параллельный, последовательный порт, инфракрасный порт и флоппи-контроллер) и BIOS ROM (флэш).

APM или ACPI функции позволяют перевести компьютер в «спящий режим» или выключить его.

Рис.3 Схема материнской платы

Системная память CMOS , поддерживаемая питанием от батареи, позволяет создать ограниченную по объёму область памяти для хранения системных настроек (настроек BIOS).

Северный и южный мосты материнской платы вкупе составляют одно целое устройство управления всей системой так сказать глаза, уши, руки ЦП. Вкупе эти два чипа называются – чипсет.

Чипсет (англ. chipset) — набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других. Чипсеты так можно встретить и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем северного и южного моста (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH):

Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.

Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI.

Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе, состоящих из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура.

В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в первую очередь заинтересованны фирмы-производители процессоров. Исходя из этого, ведущими фирмами (Intel и AMD) выпускаются пробные наборы, специально для производителей материнских плат, так называемые англ. referance-чипсеты. После обкатки на таких чипсетах, выпускаются новые серии материнских плат, и по мере продвижения на рынок лицензии (а учитывая глобализацию мировых производителей, кросс-лицензии) выдаются разным фирмам-производителям и, иногда, субподрядчикам производителей материнских плат.

Список основных производителей чипсетов для архитектуры x86: Intel, NVidia, ATI/AMD: (после перекупки в 2006 году ATi вошла в состав Advanced Micro Devices), Via, SiS.

Приветствую всех читателей моего блога, и в продолжение темы о главном чипсете компьютера я считаю необходимым более подробно описать северный мост на материнской плате. Это второй по важности ее компонент, который во многом определяет быстродействие системы. И сейчас, я постараюсь аргументировано доказать это утверждение.

Для начала разберемся с терминологией. На материнской плате имеется группа из двух чипов, выполняющих функции контролеров-концентраторов и обеспечивающих непосредственнее взаимодействие CPU со всеми остальными устройствами и модулями компьютера.

Причем между чипами имеется четкое распределение обязанностей:

Первый, напрямую соединенный с процессором системной шиной отвечает за работу с памятью и графическим адаптером;
Второй, подключен к первому и организует работу всех устройств и портов, задействованных в воде-выводе и хранении информации;

Компоновка элементов чипсета на материнской плате всегда выполняется производителями таким образом, что первый чип располагался выше второго (при условии, что надписи на элементах расположены удобным для чтения образом).

Поэтому для удобства использования профессиональной терминологии первый назвали «северным мостом» (northbridge), а второй «южным» (southbridge). Убедиться в этом и посмотреть где находятся эти чипы, можно, взглянув на свою материнку, или вот на эту картинку:

Почему мостом, спросите вы? Да потому что каналы, с помощью которых они соединены с другими устройствами, обособлены, не пересекаются и обеспечивают надежную двустороннюю связь.

Координатор взаимодействия компьютерных модулей

Оставим сегодня «южник» в покое и сосредоточим свое внимание на «северном мосте», для чего детально рассмотрим его параметры и связи. Northbridge в разных материнских платах может отличаться, и это зависит от производителя.

Как и любая микропроцессорная схема, он имеет такие характеристики как частота и производительность, которые можно посмотреть и даже изменить в BIOS, в разделе Advanced Chipset Features (Chipset features Setup). Такая «модернизация» часто используется для разгона процессора, но делать это необходимо с учетом пропускной способности поддерживаемых северным мостом шин.

Давайте посмотрим на них и выясним, кто за что отвечает:

Управляющим основным каналом взаимодействия с процессором могут выступать три типа магистральных двунаправленных системных шин: FSB, DMI, HyperTransport или QPI;
Для соединения с видеокартой когда-то широко использовалась шина AGP, но со временем она была вытеснена универсальной и болем эффективной PCI Express;
С оперативной памятью мост поддерживает связь через DDR контроллер;
Согласование работы с южным мостом выполняется с помощью DMI или HyperTransport шины.

Как видите, северный мост связывает устройства наиболее современными способами соединения с достаточно высокой пропускной способностью. Это вынужденная мера, обусловленная ростом производительности всей системы в целом.

Работа в жарких условиях и возможные последствия

«Напряженный» режим работы Northbridge вызывает значительный нагрев самого чипа. Поэтому на него устанавливают систему пассивного охлаждения, обеспечивающую нормальную температуру, которая не должна превышать определенных значений.

В компьютерах размер пластин радиатора может в несколько раз превышать габариты самого микропроцессора. А вот в ноутбуке такой возможности нет, поэтому нередки случаи, когда из-за перегрева северный мост выходит из строя, а вместе с ним и весь ПК. Вообще-то и на стационарном компьютере может произойти подобная ситуация, но в нем более удобный доступ и при необходимости можно самостоятельно заменить термопласту на радиаторе северного моста.

Поэтому, чтобы понимать значимость соблюдения температурного режима, вы должны знать, как выглядит «северник». Это классический BGA-чип, на контактах которого имеются мельчайшие шарики из легкоплавкого металла. Его монтаж обеспечивается тремя действиями:

правильно расположить;
нагреть инфракрасным излучателем до температуры плавления шариков;
слегка прижать чип по всей плоскости.

То есть? в лучшем случае, при перегреве северного моста у него оплавятся контакты (происходит «отвал чипа»). При такой поломке покупка нового чипа, возможно, не потребуется. А в сервисном центре старому сделают «реболлинг» (наплавку новых шариков) и перемонтаж. Но может оказаться, что температурное воздействие затронет структуру микропроцессора. Тогда все гораздо хуже, особенно если материнская плата старой модели и ее компоненты в свободной продаже отсутствуют (покупка запчастей с рук рискованна, т.к. возможно, они прошли через кустарный ремонт).

На всякий случай я расскажу вам о признаках выхода из строя северного моста:

Возможно, это позволит вам своевременно предпринять какие-то меры и предупредить ухудшение ситуации.

Прощай, северный мост

В завершение расскажу вам о том, что вообще-то славная эпоха северных мостов подошла к завершению. Все чаще производители CPU размещают модули, выполняющие функции контроля памяти и видеоадаптера, под крышку процессора. AMD поступает так с 2004 года (64-битные процессоры), а Intel с 2008. Такое решение имеет определенные достоинства:

минимизировались задержки при обращении ЦП к ОЗУ;
уменьшение активных элементов материнки упростило проектирование платы;
модули, отвечающие за графику и память, попали в более комфортные условия с системой активного охлаждения;

Такая вот история северного моста материнской платы. Надеюсь, вам было не только интересно, но и полезно узнать изложенную в этой статье информацию. На этом я заканчиваю. И напоминаю, что вас в моем блоге ожидает рассказ о южном мосте.

Северный мост или хост мост является одним из двух чипов в основной логике чипсет архитектуры на ПК материнской плате , а другие являются южным мостом . В отличие от южного моста, северный мост подключается непосредственно к процессору через внешнюю шину (FSB) и, таким образом, отвечает за задачи, требующие максимальной производительности. Северный мост, также известный как концентратор контроллера памяти, обычно соединен с южным мостом. В системах, в которые они включены, эти две микросхемы управляют связью между ЦП и другими частями материнской платы и составляют основной логический набор микросхем материнской платы ПК.

На более старых ПК на базе Intel северный мост также назывался концентратором контроллера внешней памяти ( MCH ) или концентратором контроллера графики и памяти ( GMCH ), если он оснащен встроенной графикой. Все чаще эти функции интегрируются в сам чип ЦП, начиная с памяти и графических контроллеров. Для процессоров Intel Sandy Bridge и AMD Accelerated Processing Unit , представленных в 2011 году, все функции северного моста выполняются центральным процессором. Соответствующий южный мост был переименован Intel в Platform Controller Hub, а AMD - в Fusion Controller Hub . Для процессоров AMD FX по-прежнему требовались внешние микросхемы северного и южного мостов.

Разделение различных функций на микросхемы ЦП, северного и южного мостов было связано с трудностью интеграции всех компонентов в одну микросхему. В некоторых случаях функции северного и южного мостов были объединены на одном кристалле, когда это позволяли сложность конструкции и производственные процессы; например, Nvidia GeForce 320M в MacBook Air 2010 года представляет собой комбинированный чип северный мост / южный мост / графический процессор.

По мере увеличения скорости ЦП со временем между процессором и материнской платой возникло узкое место из-за ограничений, вызванных передачей данных между ЦП и его поддерживающим набором микросхем. Соответственно, начиная с процессоров AMD Athlon 64 серии, была использована новая архитектура, в которой функция контроллера памяти микросхем северного моста была перенесена на центральный процессор. Современные процессоры Intel Core имеют северный мост, интегрированный в кристалл ЦП, где он известен как uncore или системный агент .

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Северный мост обычно обеспечивает связь между процессором , в некоторых случаях ОЗУ , видеокартами PCI Express (или AGP ), а также южным мостом . Некоторые северные мосты также содержат встроенные видеоконтроллеры, также известные как концентраторы контроллеров графики и памяти (GMCH) в системах Intel. Поскольку разные процессоры и ОЗУ требуют разной сигнализации, данный северный мост обычно работает только с одним или двумя классами ЦП и, как правило, только с одним типом ОЗУ.

Есть несколько наборов микросхем, которые поддерживают два типа ОЗУ (обычно они доступны при переходе на новый стандарт). Например, северный мост от чипсета Nvidia nForce2 будет работать только с процессорами Socket A в сочетании с DDR SDRAM ; Intel чипсет i875 будет работать только с системами , использующими Pentium 4 процессоров или Celeron процессоров , которые имеют тактовую частоту больше , чем 1,3 ГГц и используют DDR SDRAM, а Intel i915G Чипсет работает только с Intel Pentium 4 и Celeron, но он может использовать Память DDR или DDR2 .

Этимология

Название происходит от изображения архитектуры в виде карты. ЦП будет в верхней части карты, сравнимой с точным севером на большинстве географических карт общего назначения. ЦП будет подключен к чипсету через быстрый мост (северный мост), расположенный к северу от других системных устройств, как показано. Затем северный мост будет подключен к остальной части набора микросхем через медленный мост (южный мост), расположенный к югу от других системных устройств, как показано.

Разгон

Северный мост играет важную роль в том, насколько компьютер может быть разогнан , поскольку его частота обычно используется в качестве базовой для ЦП, чтобы установить свою собственную рабочую частоту. Этот чип обычно нагревается по мере увеличения скорости процессора, что требует большего охлаждения. Существует ограничение на разгон ЦП, так как цифровые схемы ограничены физическими факторами, такими как подъем, спад, время задержки и хранения транзисторов , произведение коэффициента усиления по току, паразитная емкость и задержка распространения , которая увеличивается с (среди других факторов) рабочая температура ; следовательно, большинство приложений для разгона имеют программные ограничения на множитель и настройку внешних часов. Кроме того, тепло является основным ограничивающим фактором, поскольку для правильной активации полевых транзисторов внутри ЦП требуются более высокие напряжения, и это более высокое напряжение производит большее количество тепла, требуя более высоких температурных решений на кристалле.

Эволюция

Общая тенденция в дизайне процессоров заключалась в интеграции большего количества функций в меньшее количество компонентов, что снижает общую стоимость материнской платы и повышает производительность. Контроллер памяти , который обеспечивает обмен данными между ЦП и ОЗУ, был перенесен на кристалл процессора AMD, начиная с процессоров AMD K8 , и Intel со своими процессорами Nehalem . Одним из преимуществ наличия контроллера памяти, встроенного в кристалл ЦП, является уменьшение задержки от ЦП к памяти.

Другим примером такого рода изменений является Nvidia «s nForce3 для AMD K8 систем. Он сочетает в себе все функции обычного южного моста с портом ускоренного графического порта (AGP) и подключается непосредственно к процессору. На платах nForce4 он продавался как процессор связи с медиа (MCP).

Процессоры AMD Accelerated Processing Unit обладают полной интеграцией функций северного моста в микросхему ЦП, наряду с ядрами процессора, контроллером памяти, высокоскоростным интерфейсом PCI Express (обычно для видеокарт) и встроенным графическим процессором (GPU). Это была эволюция AMD K8 , поскольку контроллер памяти был встроен в кристалл ЦП в AMD64.

На смену северному мосту пришел системный агент, представленный микроархитектурой Sandy Bridge в 2011 году, который, по сути, выполняет все предыдущие функции северного моста. Процессоры Intel Sandy Bridge обладают полной интеграцией функций северного моста в микросхему ЦП, наряду с ядрами процессора, контроллером памяти, высокоскоростным интерфейсом PCI Express и встроенным графическим процессором (GPU). Это была дальнейшая эволюция архитектуры Westmere, которая также включала ЦП и ГП в одном корпусе .

В последних процессорах AMD, начиная с Zen 2 , некоторые функции ввода-вывода были перенесены из кристалла ЦП на кристалл ввода-вывода в том же пакете MCM , что и ЦП. Этот кристалл обычно не считается частью северного моста, поскольку он находится в том же корпусе, что и ЦП, но выполняет некоторые из тех же функций.

Комплектующие ПК

Материнская плата компьютера технически сложное устройство, заслуживающее пристального внимания. Она обеспечивает взаимосвязь всех наиболее важных компонентов любого компьютера, таких как центральный процессор, оперативная память, видеоподсистема. Конструктив любой из системных плат основан на чипсете, который формируется из северного и южного мостов. О том, за что отвечает северный мост на материнской плате, за что отвечает южный мост и где они находятся – далее.

За что отвечает северный мост

Где находится северный мост на материнской плате

Если посмотреть на материнскую плату, то северный мост находится в верхней ее половине, ближе к центральному процессору. Данное местоположение выбрано не зря. Во-первых, тут находятся все устройства, управление которыми возложено на этот контроллер. Во-вторых, активная система охлаждения центрального процессора частично участвует и в его охлаждении. Этот технический прием можно увидеть невооруженным глазом, где присутствует пассивная система охлаждения контроллера. Если внимательно посмотреть, то будет видно, что данный контроллер расположен так, что его радиатор находится в зоне прохождения охлажденного воздуха, нагнетаемого кулером центрального процессора.

Обратите внимание: в системных платах семейства Intel Nehalem, AMD Sledgehammer, и более нового типа, северный контроллер отсутствует. Его функцию взял на себя центральный процессор, что позволило сэкономить пространство на плате и упростить ее проектирование.

За что отвечает южный мост материнской платы

Южный мост координирует, так называемые, «медленные операции», список которых внушительный. В частности, под его управлением находятся система энергосбережения, системные часы, BIOS, интерфейсы IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio и т.п. Располагается южный контроллер в нижней части материнской платы и бывает не оборудован системой охлаждения. Это конструктивная особенность зачастую становится причиной его перегрева и, в конечном итоге, выхода из строя всей материнской платы.

Читайте также: