Matična ploča (3): Južni most

Južni most povezuje ploču sa svim periferijama, omogućava joj da ih efikasno koristi, a pruža i još nekoliko veoma važnih funkcija

U ovom kratkom serijalu o pločama konačno smo stigli do južnog dela ovih uređaja. Kao što smo ranije rekli, deo ploče koji se bavi periferijskim uređajima ne doprinosi preterano performansama koje sama ploča može da ostvari, međutim za korisnika ploče na neki način predstavlja njen najbitniji deo. Naime, kada pominjemo periferije, kod prosečnog primerka modernog PC-a uočavamo dve osnovne grupe: grafičke karte i sve ostalo. Ovakva podela napravljena je na osnovu komponente ploče koja je zadužena za upravljanje njenim radom. U slučaju grafičkih kartica to je ili severni most ili sam procesor. Za sve ostale periferije zadužen je južni most.

Termin „južni most” u ovom tekstu koristimo pre svega zbog podele funkcija same matične ploče, koju smo usvojili u prvom tekstu. Međutim, za razliku od severnog mosta, koji se u poslednjih nekoliko godina dosta promenio, a u nekim slučajevima i nestao, južni most je uglavnom ostao nepromenjen. Menjano mu je samo ime, tako da ga u nekim čipsetovima srećemo pod nazivima Input/Output Controller Hub, kao i Platform Controller Hub kod Intelovog čipseta P55.

Kao čip, južni most je s jedne strane povezan sa severnim mostom. S druge strane, južni most povezuje se sa svim ostalim periferijskim uređajima koje podržava. Usled toga nije nimalo pogrešno ovaj čip nazvati običnom hrpom kontrolera i lečeva. Međutim, ne smemo ispustiti iz vida ni ostale funkcije koje ova komponenta nudi modernim pločama, kojima ćemo prvo posvetiti pažnju.

Manje očigledne funkcije južnog mosta

Ako ste primetili da u ranijim tekstovima nismo pominjali automatsko upravljanje potrošnjom energije, nadziranje rada svih komponenti ploče praćenjem posebnih senzora, automatsko overklokovanje i hardversko šifrovanje čitavih diskova, kao i druge pojmove koji odlikuju ploče, to je najverovatnije zbog toga što se sve ove funkcije obavljaju putem južnog mosta (ili smo ih jednostavno zaboravili, da ne kažemo, proglasili nebitnim). No, krenimo redom.

Na prvo mesto među ovim funkcijama ploče stavićemo interfejs poznat kao ACPI (Advanced Configuration and Power Interface). Kao što mu samo ime kaže, ACPI je zadužen za napredne mogućnosti konfigurisanja komponenti ploče i upravljanje potrošnjom električne energije, a implementira i OSPM (Operating System-directed Power Management), pomoću kog se upravljanje ovim funkcijama može delegirati na sam operativni sistem radi povećanja efikasnosti i fleksibilnosti.

Pored mogućnosti automatskog uključivanja računara putem mrežne kartice i modema, ACPI definiše tri vrste stanja u kojima ceo računar radi: stanja potrošnje, stanja procesora i stanja performansi.

Stanja potrošnje predstavljaju konfiguraciju u kojoj se sistem nalazi s tačke gledišta potrošnje energije, a promena ovih stanja okida automatsko izvršavanje pojedinih procedura kako bi se osigurao integritet kako samih komponenti tako i podataka koje računar obrađuje. Ovo se ogleda ponajviše u proceduri za gašenje računara, kada pritisak na prekidač na kućištu pokreće proceduru gašenja operativnog sistema ili snimanje njegovog stanja na hard disk. Stanja potrošnje mogu se određivati kako na nivou celog sistema tako i na nivou pojedinačnih uređaja. Prefiks ovih stanja može biti „S” kada se odnose na ceo sistem i „D” kada se odnose na pojedinačne uređaje

Stanja procesora takođe su vezana za potrošnju energije, ali i za obezbeđivanje dužeg radnog veka samog procesora kroz bolju kontrolu njegove temperature. Ova stanja imaju prefiks „C” i definišu stepen „uspavanosti” procesora, tj. da li procesor samo čeka na instrukcije, ili je pak isključio pojedine jedinice koje sadrži, ali je generalno spreman na to da ih uključi, ili je čak prestao da održava svoj keš.

Treća vrsta stanja ima prefiks „P” i tiče se performansi računara. Konkretno, ova stanja definišu frekvencije i napone koji se koriste za ostvarivanje nekih uopštenih nivoa performansi. Ovaj način upravljanja radom računara implementiran je kroz tehnologije koje znamo kao SpeedStep, PowerNow, Cool’N’Quiet, kao i PowerSaver.

Kao interfejs, ACPI je inkorporirao mogućnosti nekoliko ranijih interfejsa i time ih potpuno zamenio, nudeći veću fleksibilnost. Među ovim interfejsima nalazi se i APM, koji je upravljao većinom ovih poslova, ali se oslanjao isključivo na BIOS.

Usko vezane za ACPI su i funkcije modernih ploča, koje nude (polu)automatsko overklokovanje računara bilo softverski, putem posebne aplikacije u operativnom sistemu, bilo hardverski, putem prekidača na samoj ploči.

BIOS i kriptografija

Među manje očiglednim funkcijama južnog mosta posebno se ističe mogućnost ažuriranja BIOS-a (pa i čuvanje njegove rezervne kopije ukoliko matična ploča sadrži potrebne komponente za to – Dual BIOS). Softverski, ove funkcije implementirane su u samom BIOS-u, međutim njihova hardverska realizacija nalazi se u južnom mostu, koji sadrži potrebnu elektroniku za upravljanje čitanjem i upisivanjem sadržaja u EEPROM čip, ili bar potrebne interfejse ka zasebnim čipovima koji imaju ove mogućnosti. S obzirom na to da južni most implementira ACPI, sav dodatni hardver i softver koji omogućava dinamičku promenu takta i napona oslanja se na južni most kako bi upravljao ovim parametrima, a takođe i čitao podatke koje prikupljaju senzori. Za potrebe nadzora rada računara južni most takođe može da komunicira i sa posebnim čipovima koji signale sa raznorodnih senzora digitalizuju i prikazuju u nekom smislenom obliku. Za ove mogućnosti u južni most se najčešće implementira i podrška za posebnu magistralu zvanu SMBus.

Na sličan način na pločama se može realizovati i hardversko šifrovanje sadržaja hard diska, čija prednost leži kako u visokim performansama tako i u nezavisnosti od implementacije kriptografskih algoritama u sam operativni sistem i prateći softver. Hardverski gledano, šifrovanje se obavlja korišćenjem posebnog čipa koji implementira šifarski algoritam koji se koristi i generator slučajnih brojeva, a takođe se brine i o izboru i čuvanju šifarskog ključa.

Od ostalih, manje poznatih, ali ništa manje bitnih funkcija južnog mosta neophodno je da pomenemo i upravljanje RTC-om (Real Time Clock). Kao što smo još pre dva meseca napisali, zadatak RTC-a je da čuva i ažurira podatke o proteklom vremenu. Južni most omogućava jednostavno upisivanje i čitanje podataka o trenutnom datumu i vremenu, dok se o brojanju proteklih vremenskih jedinica brine sam RTC. Pored RTC-a, pomenuli smo i hardverski takt generator koji se nalazi pod kontrolom kako ACPI interfejsa tako i mehanizama za dinamičko overklokovanje.

Ulaz, izlaz i čuvanje podataka

Za jedan personalni računar svakako najbitniji periferijski uređaji jesu oni koji korisniku omogućavaju „komunikaciju” sa čitavom skalamerijom. Među ove uređaje spadaju pre svega tastatura i miš. U modernim računarima podrška za ove uređaje najčešće je izvedena kroz USB magistralu, koja je takođe implementirana kroz južni most, bilo da su sami USB hubovi integrisani u čip ili se nalaze na posebnim čipovima.

Kao način za povezivanje USB se pokazao jeftinim i dovoljno efikasnim rešenjem za mnoge uređaje iz kategorije ulazno/izlaznih, tako da nije neuobičajeno naići na štampače, TV tjunere, audio uređaje, kao i na mnoge vrste komunikacionih uređaja koji koriste ovu jednostavnu magistralu.

Unifikacija protokola za komunikaciju omogućila je znatno pojednostavljenje izvedbe južnog mosta, pa samim tim i njegovu veću pouzdanost, kao i veću pouzdanost čitave ploče. Ranije je južni most morao da sadrži nekoliko različitih tipova magistrala koje su bile namenjene različitim tipovima uređaja. Ostaci ovakve izvedbe vidljivi su i danas. Malo ko zna da se PS/2 portovi za miša i tastaturu, kao i standardni paralelni port i RS-232C serijski portovi u samom južnom mostu izvode putem davno napuštene ISA magistrale.

Od ostalih ulazno-izlaznih uređaja po svojoj specifičnosti izdvaja se integrisana zvučna kartica. Kao i ostali uređaji čijim radom upravljanja južni most, integrisana zvučna kartica, ili audio kodek, može biti ili integrisana u sam južni most ili smeštena u zaseban čip (što je češća varijanta). I u ovom slučaju zadatak južnog mosta jeste transport podataka i upravljanje radom, kao i pružanje interfejsa putem kog operativni sistem može da pristupi ovom uređaju.

Specifična klasa I/O periferijskih uređaja su tzv. sekundarne memorije. U ove uređaje ubrajamo hard diskove, SSD-ove, optičke uređaje i njima slične. Kao i u slučaju I/O uređaja, podrška se sastoji iz implementacije interfejsa koje oni koriste. Pored već pomenute USB magistrale koja može da se koristi i za ove namene, savremene ploče podržavaju i IEEE 1394 FireWire, kao i najpopularnija rešenja za ove potrebe u vidu ATA/SATA kontrolera. Kod najmodernijih ploča južni most sadrži (ili bar kontroliše) bar jedan RAID kontroler, koji omogućava naprednije korišćenje hard diskova.

Koordinacija i efikasnost

Kao što smo u više navrata rekli, većina funkcija koje obavlja južni most može da se omogući i posebnim čipom. U prevodu, južni most kao čip ne mora da ima nijednu od ovih funkcija u sebi. Međutim, kako bi ceo računar radio, južni most ima nekoliko zaduženja koja se ne mogu delegirati drugim čipovima i koja zapravo predstavljaju najvažnije funkcije koje južni most obavlja na prosečnoj matičnoj ploči.

Na prvom mestu je koordinacija rada svih ovih uređaja. Iako se južni most nalazi pod direktnom kontrolom severnog mosta/procesora, u pogledu same realizacije upravljanja pojedinim komponentama prilično je samostalan. Najvažniji alati za upravljanje radom celog računara svakako su interapt kontroleri.

Za one koji se prvi put sreću sa ovim pojmom, interapt predstavlja događaj u sistemu koji može da inicira bilo koja komponeta. Uobičajena primena interapta jeste u signalizaciji da neka komponenta treba da počne da izvršava neku operaciju, odnosno obaveštavanje ostatka sistema da je komponenta neku operaciju izvršila ili je tokom izvršenja došlo do neke greške. Dok se sama hardverska realizacija interapta poverava posebnim kontrolerima (dva kaskadno vezana čipa), južni most je zadužen za njihovo konfigurisanje, kao i za postavljanje i čitanje njihovog stanja.

Druga funkcija južnog mosta bez koje nijedan moderan računar ne bi mogao da funkcioniše jeste direktan pristup memoriji. Ukratko, direktno pristupanje memoriji (Direct Memory Access) omogućava periferijskim uređajima da za potrebe transporta podataka u potpunosti izostave procesor, čime se višestruko povećava efikasnost rada čitavog računara. Kako bi omogućio ovu funkcionalnost, južni most sadrži posebne procesore koje nazivamo DMA kontrolerima. Princip rada DMA kontrolera je jednostavan. Procesor kontroleru zada početnu adresu sa koje da uzme podatke, adresu na koju da ih upiše (baferi pojedinačnih uređaja takođe su predstavljeni kao memorijske lokacije) i količinu podataka koje treba preneti. Nakon toga, okida se interapt i procesor nastavlja da izvršava ostale programe dokle god ga DMA kontroler interaptom ne obavesti da je završio.

Poređenja radi, pre uvođenja DMA kontrolera koristio se programirani I/O, koji je koristio procesor. U tom slučaju podaci su prvo morali da se smeste u interne registre procesora, da bi se nakon toga transportovali na odredište. Ovakav način rada izuzetno je spor kako zbog ograničenja samih procesora, koja potiču od veličine dužine registara, tako i zbog zauzeća procesora, koje je bilo izuzetno veliko i sprečavalo izvršavanje ostalih programa.

• • •

Da rezimiramo, južni most je komponenta ploče koja upravlja radom najvećeg dela računarskog sistema. U ovom čipu krije se podrška kako za sve moguće periferijske uređaje koji se povezuju sa računarom tako i podrška za mnoge napredne načine upravljanja radom procesora i severnog mosta. Južni most zadužen je za konfigurisanje računara i koordinaciju rada čitavog sistema. Iako ne utiče preterano na maksimalne performanse koje računar može da ostvari, ova komponenta predstavlja njegov najvažniji deo pošto omogućava smislenu upotrebu mogućnosti računara.

Nadamo se tome da smo u ova tri teksta uspeli da vam u dovoljnoj meri objasnimo uloge koje matična ploča i njene najvažnije komponente obavljaju u samom računaru. Svesni smo, svakako, da nismo pokrili sve aspekte funkcionisanja ove osnovne komponente svakog računara, kao i da smo mnogim funkcijama posvetili premalo ili čak ni malo prostora. Međutim, naša namera bila je da radoznale čitaoce koji se tek sreću sa računarima usmerimo ka daljem samostalnom istraživanju mogućnosti ovih izuzetno kompleksnih uređaja.

Bojan ŽIVKOVIĆ