Układy od czarnej roboty

W architekturze komputerów chipset to przede wszystkim zespół wyspecjalizowanych układów. Nadzorują one komunikację i sterują przepływem danych między wszystkimi magistralami systemowymi komputera, a właściwie między kontrolerami obsługującymi poszczególne magistrale znajdujące się w pececie. Chodzi tutaj między innymi o komunikację, wymianę danych między procesorem, kontrolerem pamięci a samą pamięcią, kontrolerem dysku twardego, dyskiem twardym i procesorem, kartą graficzną i pamięcią oraz procesorem czy urządzeniami USB lub PCI bądź PCI Express.

W pierwszych pecetach chipset składał się z kilku układów (zwykle od sześciu do dziewięciu), w których centralną kością był kontroler magistrali systemowej, a pozostałe przełącznikami i innymi kontrolerami sprawującymi nadzór nad poszczególnymi magistralami peceta. W kolejnych generacjach komputerów PC liczba oddzielnych układów zaczynała maleć, a nowsze układy sterujące pracą płyty głównej i komputera łączyły w sobie coraz więcej uprzednio rozproszonych funkcji.

W 1993 roku, w którym pojawiły się procesory z rodziny Pentium, a wraz z nimi płyty główne zbudowane na bazie trzech lub dwóch kości, np. Triton i430FX (układy Intel 82437FX, 82438FX, 82371FB) oraz i430TX (kości Intel 82439TX, 82371AB), można już mówić o klasycznym chipsecie składającym się z mostków północnego i południowego, które pozbawione są możliwości buforowania danych.

Wraz z pojawieniem się w 2003 roku procesorów AMD Opteron, w których kontroler pamięci został przeniesiony do struktury procesora, obserwuje się tendencję integrowania elementów mostka północnego w procesorze. Począwszy od układów Intela z serii Core i7 zgodnych z architekturą Nehalem oraz kości AMD Fusion, w strukturze procesora, oprócz kontrolera pamięci, znalazł się również kontroler magistrali PCI Express zapewniającej komunikację z kartą graficzną, a także sam układ graficzny.

Firma AMD w swojej najnowszej platformie systemowej do procesorów z rdzeniem Bulldozer (procesory AMD FX z podstawką AM3+) wykorzystuje klasyczną, dwuukładową konstrukcję chipsetu. W mostek północny chipsetów z serii 9xx został wbudowany kontroler graficznej magistrali PCI Express x16 2.0, umożliwiający, w zależności od wersji, montaż od jednej (AMD 970) do czterech (AMD 990FX) kart graficznych. Znalazł się tu też kontroler PCI Express 2.0 (10 linii PCIe), umożliwiający obsługę kart rozszerzeń, magistrali HyperTransport 3.0, wykorzystywanej do komunikacji z procesorem, oraz kontroler szyny komunikacyjnej A-Link Express o przepustowości 2 GB/s, służącej do komunikacji mostka północnego z południowym. Kontroler pamięci znajduje się w procesorze.

Bardzo tradycyjną konstrukcją są wykorzystane w chipsetach z serii 9xx mostki południowe AMD SB950 i SB920. Znaleźć w nich można kontroler magistrali PCI Express 2.0, USB 2.0, Serial ATA oraz gigabitowy moduł karty sieciowej. Ponadto znalazł się tam kontroler magistrali PCI oraz wszystkie niezbędne moduły służące do współpracy z BIOS-em, przetwornikami dźwiękowymi czy zegarem czasu rzeczywistego.

Konstrukcją jednoukładową są zaś chipsety AMD Hudson określane też skrótem FCH (ang. Fusion Controller Hub), przeznaczone do obsługi platformy AMD Fusion, czyli procesorów zintegrowanych z rdzeniem graficznym (np. układów Llano). Tutaj wszystkie funkcje mostka północnego przeniesiono do procesora, a układ Hudson, będący formalnie mostkiem południowym, obsługuje urządzenia wejścia-wyjścia. Ciekawostką jest zastosowanie obsługującego sześć linii kontrolera SATA 3. W mostku FCH znalazł się też kontroler USB 3.0 (w wersji Hudson-D3), gigabitowa karta sieciowa i czterokanałowy kontroler dźwięku. Komunikacja z procesorem odbywa się za pomocą magistrali UMI (ang. Unified Media Interface) będącej modyfikacją magistrali A-Link.

Firma Intel od chwili wprowadzenia na rynek procesorów z rdzeniem Nehalem (pierwsze układy Core i7, Socket 1366) rozpoczęła również integrowanie w strukturze procesora elementów charakterystycznych dla mostka północnego. Na pierwszy ogień poszedł kontroler pamięci (chipset Intel X58), następnie kontroler magistrali PCI Express (chipset Intel P55, Socket 1156). P55, będący pierwszym „intelowskim” chipsetem PCH (Platform Controller Hub), został zaprojektowany do obsługi Core i3 i Core i5 z wbudowanym modułem graficznym oraz kolejnych procesorów Core i7 współpracujących tym razem z podstawką Socket 1156.

Wraz z premierą trzeciej generacji układów zgodnych z architekturą Core (Ivy Bridge) zadebiutowała również nowa seria chipsetów PCH. Są to jednoukładowe chipsety o kodowej nazwie Panther Point, do której należą układy Intel Z77, Z75, H77 i B75 (komputery typu desktop) oraz kości HM77, UM77, HM76 i HM75 (notebooki). Warto w tym miejscu dodać, że wraz z nowymi chipsetami pojawiło się pięć nowych modułów bezprzewodowych Centrino Advanced-N 6235, Wireless-N 2230, 2200, 135 i 105, które mogą być też stosowane w komputerach stacjonarnych, dzięki czemu bezprzewodowa technologia przesyłania obrazu i dźwięku Intel Wi-Di również będzie mogła być używana w stacjonarnych pecetach.

Same chipsety Intela z serii 7 mają typową budowę jednoukładową. W nowych układach PCH Intela znalazł się kontroler magistrali USB 3.0 i 2.0, kontroler magistrali PCI Express 2.0 do kart rozszerzeń (8 linii) oraz dysków Serial ATA. Nie zapomniano też o obsłudze dźwięku, gigabitowej karcie sieciowej, obsłudze funkcji zarządzania energią i współpracy z BIOS-em. Komunikacja z procesorem odbywa się za pomocą magistrali DMI 2.0 o przepustowości 20 Gb/s oraz szyny FDI pozwalającej komunikować się zintegrowanemu w procesorze układowi graficznemu z montowanymi na płycie głównej złączami wideo, obsługiwanymi przez układ PCH.

Zintegrowanie w procesorze elementów mostka północnego nie tylko upraszcza konstrukcję płyty głównej, ale również przyspiesza działanie pamięci i podsystemu graficznego. Fizycznie droga sygnału jest znacznie krótsza, a podzespoły mogą być wewnątrz procesora taktowane szybszym zegarem. Cały system zużywa też mniej energii i może być pod tym względem znacznie lepiej zarządzany, jak np. w technologii Turbo Boost pozwalającej zwiększyć taktowanie wybranych elementów procesora.

Teraz przyszedł czas na integrowanie w rdzeniu procesora elementów mostka południowego. Już się mówi o integracji układu dźwiękowego i sieciowego. Współczesne procesory zaczynają więc przypominać wykorzystywane w różnych kontrolerach czy sprzęcie AGD układy SoC, które są w pełni funkcjonalnym komputerem zamkniętym w jednej kości. Dzięki temu, wymieniając w pececie procesor, będzie można zwiększyć możliwości komputera, i to bez potrzeby wymiany pozostałych elementów peceta. Pozostaje tylko pytanie: jak drogi będzie wówczas taki układ? Miejmy nadzieję, że nie droższy od procesorów.

Umożliwia podłączenie do peceta urządzeń korzystających z USB czy SATA, klawiaturę, mysz i karty rozszerzeń. Zapewnia obsługę wbudowanej karty sieciowej i dźwiękowej. Do jego zadań należą też: współpraca z BIOS-em, sterownikiem przerwań, DMA, modułem zegara czasu rzeczywistego, sterowanie zarządzaniem energią, monitorowanie temperatur, napięć i wentylatorów.

To przede wszystkim kontroler magistrali systemowej realizujący połączenia między procesorem a pamięcią operacyjną, magistralą, do której podłączona jest karta graficzna, oraz połączenia z mostkiem południowym. Umożliwia współpracę komponentów komputera. Synchronizuje różne magistrale – dlatego w komputerach stosuje się częstotliwości zegarów szyn, które są wielokrotnościami częstotliwości podstawowej – 33 MHz.