Matična ploča (2): Severni most

U prošlom broju ukratko smo opisali najvažnije komponente koje se nalaze na prosečnoj matičnoj ploči. Na red je došlo zalaženje u detalje: razmotrićemo delove ploče koji su zaduženi za izvršavanje operacija koje smo pripisali severnom mostu i objasnićemo pojam magistrala kroz primere najbitnijih magistrala na ploči

Blok dijagram čipseta Intel P45. MCH – Severni Most, ICH – Južni most. Koristi FSB kao procesorsku magistralu.

Do pre nekoliko godina pojam severnog mosta jednoznačno je određivao čip koji je bio zadužen za komunikaciju sa procesorom, operativnom memorijom, grafičkom karticom i južnim mostom. Kod modernih računara posao severnog mosta izmešten je u procesor. Primer ove reorganizacije može se videti jednostavnim poređenjem dijagrama Intelovih čipsetova P45 i P55, gde je najupadljivija razlika u tome što je na dijagramu čipseta P55 oznaka procesora bukvalno premeštena na mesto nekadašnjeg severnog mosta, dok je nekadašnje mesto procesora upražnjeno. Kod AMD-a situacija je malo drugačija, u procesor je izmešten samo memorijski kontroler, dok je northbridge zadržao ostatak funkcija, što se vidi na blok dijagramu najnovijeg AMD-ovog čipseta. Intel je sličnu arhitekturu usvojio kod čipseta X58. Međutim, da bismo mogli da pričamo o funkcijama severnog mosta, moramo prvo da razjasnimo jedan od najosnovnijih pojmova vezanih za računare.

Magistrale

Kao što smo u prethodnom broju rekli, magistrale pre svega predstavljaju grupu paralelnih električnih vodova koji povezuju dve ili više komponenti. Svrha magistrale jeste prenos podataka, tako da je jedna od njenih najbitnijih karakteristika propusna moć, tačnije količina podataka koje može da prenese u sekundi. Moderne magistrale koje se koriste u računarima imaju brzine od više gigabita podataka u sekundi.

Nakon što smo ovo raščistili, možemo da se pozabavimo ostalim karakteristikama koje definišu magistrale. Na prvom mestu, tu je način transporta podataka. Prema ovom kriterijumu, magistrale se dele na paralelne i serijske.

Paralelne magistrale odlikuju se osobinom da paralelno prenose više bitova podataka. Usled ovoga, javlja se pojam širine magistrale koji zapravo predstavlja broj fizičkih vodova koji čine magistralu, odnosno broj bitova koji se mogu istovremeno preneti. Ova vrsta magistrala je najstarija, najjednostavnija za izvedbu i koristi relativno jednostavne protokole za komunikaciju, kao i interfejse za povezivanje uređaja.

Blok dijagram čipseta Intel X58. IOH – Severni Most, ICH – Južni most. Koristi QPI kao procesorsku magistralu.

Nasuprot njima, serijske magistrale prenose podatke bit po bit. Širina magistrale kod ove vrste ne postoji kao faktor, dok je broj električnih vodova znatno manji (najjednostavnije serijske magistrale koriste samo dva voda). Serijske magistrale za komunikaciju koriste komplikovanije protokole i komplikovanije interfejse za povezivanje.

Do početka ovog veka paralelne magistrale bile su uobičajena pojava. Najpoznatija među njima nosi oznaku PCI i ona je više od deset godina bila osnovni način povezivanja komponenti računara. Najmoćnija paralelna magistrala koja je krasila naše računare jeste „frankenštajnovska” evolucija PCI standarda poznata po imenu AGP. Međutim, povećanjem performansi računara paralelne magistrale su sve više patile od urođene boljke – nepouzdanosti prenosa. Malo rastojanje između provodnika na ploči, kao i činjenica da je teško postići da svi provodnici budu iste dužine, doprinose tome da se pri visokim taktovima javljaju problemi poput međusobnog „preslušavanja” provodnika (provodnici smetaju jedni drugima i izobličuju signal), kao i nemogućnost istovremenog ispravnog prijema svih bitova na interfejsu.

Najbolji primer ovog problema zadavao je muke entuzijastima u vreme kada je overklokovanje postajalo popularno i odnosilo se na overklokovanje PCI magistrale, koje je u to vreme obično bilo neizbežno jer je bilo vezano za povećanje sistemskog takta. Posledice su se ogledale u nestabilnom radu pojedinih komponenti koje su se povezivale na PCI magistralu, pre svega mrežnih i zvučnih kartica.

Kako bi se rešio ovaj problem, mnoge paralelne magistrale zamenjene su serijskim pandanima. Fizička implementacija ovih magistrala mnogo je jednostavnija – pored toga što se sastoje od manjeg broja vodova, prenos „bit po bit” omogućilo je i jednostavniju primenu, kao i rešenje problema preslušavanja koje dolazi do izražaja tokom rada na visokim taktovima. Sami podaci prenose se u paketima, a upravljanje prenosom podataka nešto je kompleksnije. U modernim računarima serijske magistrale gotovo su u potpunosti zamenile paralelne.

Njeno veličanstvo PCI-E

Blok dijagram čipseta Intel P55. PCH (Platform Controller Hub) – Južni most.

Najpoznatija među serijskim magistralama u modernim računarima svakako je PCI-Express. Zamišljena tako da zameni PCI, PCI-X i AGP magistrale, sa prethodnicima praktično deli samo ime (Peripherial Component Interconnect) i namenu.

Prema načinu rada, PCI-Express magistrala bi se, uslovno rečeno, mogla smatrati hibridom između paralelnih i serijskih magistrala. Naime, iako je prenos podataka u potpunosti serijski, magistrala je sastavljena iz više malih serijskih magistrala koje rade paralelno i koje nazivamo trake (lanes). Prema standardu PCI-E 1.x svaka traka može da prenese 250 MB/s. Prema aktuelnom standardu PCI-E 2.0 ova brzina je duplirana, dok će dogodine sa PCI-E 3.0 uslediti još jedno dupliranje, čime će jedna traka moći da prenosi čak jedan gigabajt u sekundi.

Jedna traka sastoji se od dva para vodova, svaki za po jedan smer prenosa podataka. Najmanja količina podataka koja se prenosi u jednom smeru je jedan bajt (osam bita), a moguć je i istovremeni prenos u oba smera.

Podela magistrale na trake ingeniozan je način da se poveća fleksibilnost pri njenoj upotrebi. Jedna PCI-Express magistrala sastoji se od 32 nezavisne trake koje se prema potrebi mogu kombinovati u grupe od po dve, četiri, osam, šesnaest i trideset dve (označene kao 2x, 4x, 8x, 16x i 32x), za koje postoje zasebni standardi za slotove.

Blok dijagram čipseta AMD790. 790FX – Severni Most, SB750 – Južni most. Koristi HyperTransport kao procesorsku magistralu.

Kombinovanjem traka moguće je prilagoditi implementaciju magistrale u zavisnosti od potrebe sistema tako da, primera radi, imamo PCI-E 16x slotove namenjene grafičkim karticama, PCI-E 8x slotove namenjene upotrebi grafičkih kartica u SLI/Crossfire režimu, ali i obične 1x slotove namenjene jednostavnijim uređajima. Pri tom se za sve to koristi samo jedan kontroler.

Od dodatnih sjajnih osobina PCI-Express magistrale treba napomenuti i to da je u počeku zamišljena kao point-to-point magistrala, što omogućava „redno” povezivanje uređaja, kao i nezavisnu, paralelnu komunikaciju između uređaja preko dela magistrale koji je trenutno slobodan. Takođe, ako ste se zapitali kako to da još imamo obične PCI slotove na najnovijim pločama, odgovor je jednostavan. Jedna od bitnih stavki pri dizajnu PCI-E magistrale bila je kompatibilnost – dodavanjem jednostavnog adaptera u elektroniku oko PCI slota moguće je koristiti i PCI uređaje preko PCI-E magistrale.

Nazad na sever

Sada, kada smo objasnili pojam magistrala i opisali najbitniju magistralu koju srećemo u modernim računarima, možemo da posvetimo pažnju funkcijama severnog mosta. Ako zanemarimo čipset P55 koji nema severni most, kod ostalih aktuelnih čipsetova za najnovije procesore najbitnija funkcija severnog mosta jeste komunikacija sa samim procesorom.

Iako magistrale koje se koriste za komunikaciju sa procesorom nisu varijacije PCI-E magistrale, prema dizajnu i načinu rada imaju s njom nekoliko zajedničkih osobina. Primera radi, HyperTransport magistrala koju koristi AMD koristi paketski prenos podataka karakterističan za serijske magistrale, dok se sam prenos paketa obavlja preko paralelnog linka širine 16 bita.

PCI Express slotovi, odozgo nadole: 4x, 16x, 1x i 16x, u poređenju sa PCI slotom (skroz dole). Izvor: Wikipedia

Intelovo rešenje za komunikaciju severnog mosta sa procesorom u čipsetu x58 zove se QPI (Quick Path Interconnect). Kao i HyperTransport magistrala, QPI nije varijacija PCI-Express magistrale, ali s njom deli sistem nezavisnih full-duplex traka koje se koriste za prenos podataka.

Obe magistrale nude i point-to-point komunikaciju, tako da osim za povezivanje procesora sa severnim mostom mogu da služe i za međusobno povezivanje više procesora, što ih čini izuzetno pogodnim za upotrebu u računarima od kojih se očekuje velika procesorska moć. Pošto je implementiranje QPI magistrale u principu skupo, a za većinu korisnika i nepotrebno, Intel je prilagodio dizajn mainstream procesora, što je dovelo do čipseta P55 i oslanjanja na PCI-e kao na osnovnu magistralu na ploči.

Druga najbitnija funkcija severnog mosta jeste komunikacija sa operativnom memorijom. Za ovu funkciju koriste se paralelne magistrale prilagođene tipu memorijskih modula koji se koriste. Ove magistrale poznate su pod zbirnim imenom Memory Bus. S obzirom na to da su paralelne i da rade na taktovima do 800 MHz (u slučaju DDR3-1600 modula), njihova osnovna osobina jeste da moraju da budu kratke i sa što manje vijuganja. Upravo potreba za visokim kvalitetom memorijskog kontrolera koji koristi ovu magistralu bila je i uzrok pojave ideje integracije procesora i severnog mosta.

Komunikacija sa periferijama

Poslednja funkcija severnog mosta jeste komunikacija sa periferijskim uređajima. S tačke gledišta severnog mosta, odnosno procesora, postoje samo dva periferijska uređaja: grafička kartica i južni most.

Za komunikaciju sa grafičkom karticom moderni računari koriste PCI-Express magistralu koju smo već opisali. Ova magistrala zamenila je previše komplikovan i nedovoljno fleksibilan standard po imenu AGP. Grafička kartica je, najprostije rečeno, rupa bez dna u koju se velikom brzinom bacaju velike količine podataka. Usled toga, redovna je pojava da se polovina maksimalne propusne moći ove magistrale posveti isključivo ovom uređaju, što je izvorno i bio jedan od osnovnih ciljeva njenog dizajna.

Druga periferija je južni most. Kao što smo u prošlom broju ukratko objasnili, južni most upravlja radom svih ostalih uređaja koje srećemo u računaru, počev od tastature i miša do „previše-tačka-jedan” zvučnih kartica, gigabitnih ethernet adaptera i RAID kontrolera.

Na svim modernim Intelovim čipsetovima za ove potrebe koristi se magistrala poznata kao Direct Media Interface, iza koje se krije modifikovana PCI-E 1.1 4x magistrala. Slično rešenje koristi i AMD, mada mu javno nije dao neko određeno ime.

• • •

Zasad toliko. Kao i uvek, nadamo se da smo uspeli da objasnimo raspodelu poslova između komponenti na matičnoj ploči, kao i prirodu najvažnijih komponenti koje učestvuju u njihovom obavljanju.

Na dnevnom redu još nam je ostao južni most i izobilje funkcija koje on obavlja, kao i kratko razmatranje faktora koji čine razliku između sjajnih i osrednjih ploča.

Bojan ŽIVKOVIĆ