Шестое поколение микросхем системной логики Pentium Pro и Pentium II/III (P6)

Pentium Pro и Pentium II/III (P6)

🕛 05.10.2009, 11:12

Компания Intel явно доминирует на рынке наборов микросхем системной логики для Pentium, а для процессоров P6 была фактически единственным производителем. Как уже упоминалось, начиная с 1993 года Intel представляет новые наборы микросхем системной логики (и даже готовые системные платы) одновременно с новыми процессорами. Едва ли есть еще какая-либо компания, которая могла бы делать это так оперативно. Кроме того, для других изготовителей наборов микросхем системной логики проблема состоит еще и в том, что Intel запатентовала используемые разъемы процессоров.
Если Pentium Pro, Celeron и Pentium II/III - это, по сути, один и тот же процессор, имеющий лишь небольшие отличия в конструкциях кэш-памяти, значит, один и тот же набор микросхем системной логики может использоваться как для гнезд типа Socket 8 (Pentium Pro) и Socket 370 (Celeron), так и для разъема типа Slot 1 (Celeron и Pentium II/III). Это утверждение было верным для некоторых старых наборов микросхем класса P6. Новые наборы микросхем системной логики оптимизированы для архитектуры разъема типа Slot 1/Socket 370 и не могут быть установлены в платы с гнездом типа Socket 8.
Замечание
Шина PCI 2.1 поддерживает параллельное выполнение операций PCI.

Замечание
Кэш-память второго уровня процессоров Pentium Pro, Celeron и Pentium II/III находится в корпусе процессора. Следовательно, характеристики кэш-памяти для этих компьютеров зависят не от набора микросхем системной логики, а только от процессора.
Многие наборы микросхем от компании Intel состоят из двух компонентов: северного моста (MCH или GMCH в случае hub-архитектуры) и южного моста (ICH в случае hub-архитектуры). Очень часто одна и та же микросхема южного моста или ICH может использоваться с несколькими северными мостами (MCH или GMCH). В табл. 4.19 представлен список всех южных мостов наборов микросхем для процессоров класса P6, а также перечислены их основные характеристики. Микросхема ICH2 также используется в составе наборов микросхем компании Intel для процессоров седьмого поколения (Pentium 4/Celeron 4).
В следующих разделах рассматриваются наборы микросхем для процессоров P6 от Celeron до Pentium III, начиная с семейства набора микросхем Intel 800. Подробные сведения о наборах микросхем 400 представлены в 16-м издании настоящей книги, глава 4, которое находится на прилагаемом компакт-диске.

В представленном в апреле 1999 года наборе микросхем Intel 810 (кодовое название Whitney) используются абсолютно новые компоненты, которые существенно отличаются от стандартных северного и южного мостов из предыдущих наборов. Этот набор микросхем системной логики был также выпущен в виде модели 810E, поддерживающей шину процессора 133 МГц. Он предназначен для создания высокопроизводительных системных плат различного уровня.
Замечание
В модели 810E2 применяется та же микросхема GMCH 82810E, что и в наборе микросхем 810E, но добав-лена еще и микросхема 82801BA I/O Controller Hub (ICH2), используемая в модели 815E.
Набор микросхем Intel 810E обладает следующими свойствами:
- поддерживает частоты шины 66, 100 и 133 МГц;
- содержит интегрированную графическую систему Intel 3D с интерфейсом AGP 2x;
- эффективно использует системную память для повышения производительности графической подсистемы;
- поддерживает дополнительно 4 Мбайт видеопамяти (не во всех моделях);
- поддерживает порт Digital Video Out, совместимый со спецификацией DVI для плоскопанельных мониторов;
- использует программную реализацию MPEG-2 DVD с Hardware Motion Compensation;
- использует hub-интерфейс со скоростью передачи данных 266 Мбайт/с;
- реализует поддержку UDMA-66;
- содержит интегрированный контроллер Audio-Codec 97 (AC97);
- поддерживает режим приостановки с пониженным энергопотреблением;
- имеет встроенный генератор случайных чисел для обеспечения высокого уровня безопасности программ шифрования;
- содержит интегрированный контроллер USB;
- не имеет шины ISA.
Набор микросхем Intel 810E состоит из трех основных компонентов.
- 82810E Graphics Memory Controller Hub (GMCH) - 421-контактный корпус BGA.
- 82801 Integrated Controller Hub (ICH) - 241-контактный корпус BGA.
- 82802 Firmware Hub (FWH) - 32-контактный корпус PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) или 40-контактный корпус TSOP (Thin Small Outline Package).
По сравнению с конструктивным исполнением предыдущих наборов микросхем системной логики (северный и южный мост) конструкция набора Intel подверглась значительным изменениям. В предыдущих наборах северный мост представлял собой контроллер памяти, к которому через шину PCI подключался южный мост. В новом наборе компонент Graphics Memory Controller Hub (GMCH) подключается к Integrated Controller Hub (ICH) с помощью интерфейса Accelerated Hub, работающего на частоте 66 МГц. Такой прямой способ соединения компонентов стал основой для реализации нового интерфейса UDMA-66, к которому подключаются жесткие диски, оптические накопители и другие устройства IDE. представлена блок-схема набора микросхем Intel 810E.

Для поддержки двух- и трехмерной графики используется интегрированный порт AGP (микросхема 82810). С помощью этой же микросхемы обеспечивается поддержка DVD, аналогового и цифрового видеовыходов. Микросхема 82810 (GMCH) поддерживает System Manageability Bus, что позволяет использовать с Intel 810 сетевое оборудование. Управление энергопотреблением осуществляется согласно спецификации ACPI.
Обратите внимание на то, что микросхема GMCH выпускается в двух вариантах: 82810 и 82810-DC100. Версия DC-100 (Display Cache 100 МГц) использует в качестве специализированного дисплейного кэша до 4 Мбайт видеопамяти SDRAM, работающей на частоте 100 МГц. Обычная версия микросхемы GMCH не поддерживает эту внешнюю кэш-память.
Микросхемы GMCH и 82801 ICH соединяются с помощью Accelerated Hub Architecture (AHA), что позволяет удвоить скорость передачи данных (266 Мбайт/с) по сравнению с соединением компонентов северного и южного мостов с помощью шины PCI в предыдущих наборах микросхем. Благодаря новой шине AHA также повышается производительность графической и аудиоподсистемы.
В микросхему ICH интегрирован сдвоенный контроллер IDE, который поддерживает скорость передачи данных 33 Мбайт/с (UDMA-33 или Ultra-ATA/33) либо 66 Мбайт/с (UDMA-66 или Ultra-ATA/66). Обратите внимание, что эта микросхема выпускается в двух версиях: 82801AA (ICH), которая поддерживает скорость передачи данных 66 Мбайт/с и шесть разъемов PCI, и 82801AB (ICH0), которая поддерживает только скорость передачи данных 33 Мбайт/с и четыре разъема PCI.
В микросхему ICH также интегрирован контроллер Audio-Codec 97, два порта USB и поддержка от четырех до шести разъемов PCI. Контроллер Audio-Codec 97 предназначен для программной реализации аудиофункций и функций модема. При этом основная нагрузка ложится на процессор. Уменьшение числа компонентов приводит к общему снижению стоимости системы.
Микросхема 82802 (FWH) содержит системную и видео-BIOS. Эта микросхема относится к типу флэш (flash) и может быть перепрограммирована. Кроме того, в 82802 реализован генератор случайных чисел. Он используется для увеличения стойкости шифрования и создания цифровой подписи. Данная микросхема, как и другие из этого набора, выпускается в двух вариантах: 82802AB и 82802AC. Версия AB содержит 512 Кбайт (4 Мбит) памяти flash-BIOS, а версия AC - 1 Мбайт (8 Мбит).
Графический контроллер интегрирован в набор микросхем Intel 810/810E, и поэтому на системной плате нет разъема шины AGP. Так что с модернизацией графической подсистемы могут возникнуть проблемы, хотя производительность интегрированной графической системы достаточна для выполнения повседневных задач. В то же время в более дорогих системах используется набор микросхем 815 или другой версии, поддерживающий разъемы AGP. Этот интегрированный интерфейс получил название Direct AGP и представляет собой прямое соединение между контроллерами памяти/процессора с контроллером видеоадаптера, реализованное в одной микросхеме.
Генератор случайных чисел Intel
Особенностью набора микросхем Intel серии 8xx является генератор случайных чисел RNG (Random Number Generator). Он сформирован в микросхеме 82802 FWH, которая является компонентом ROM BIOS, используемым в системных платах серии 8хх. Генератор случайных чисел предоставляет программному обеспечению недетерминированные случайные числа.
Случайные числа необходимы большинству стандартных программ безопасности, выполняющих идентификацию пользователя или шифрование файлов, и используются, например, при генерировании ключевого кода. Один из методов ‘‘взлома’’ шифрованных кодов - угадывание случайных чисел, используемых в процессе генерирования ключей. Существующие методы, применяющие при генерировании псевдослучайных чисел исходные данные пользователя и системы в качестве начального числа, весьма уязвимы для взлома. Для генерирования по-настоящему недетерминированных, непредсказуемых случайных чисел Intel RNG использует тепловые помехи резистора, находящегося в FWH (т.е. ROM BIOS системной платы серии 8xx). Таким образом, ‘‘произвольные’’ числа, генерируемые набором микросхем серии 8xx, действительно случайны.

Обычный внешний видеоадаптер используется в системах среднего и высокого уровней, а также в игровых компьютерах. С наборами микросхем 810 и последующих версий, которые обладают интегрированной графической подсистемой, Intel начала экспансию на рынок графических адаптеров.
Набор микросхем серии 810 демонстрирует тесную интеграцию системных компонентов. Встроенная графическая система подразумевает отсутствие необходимости в отдельной плате видеоадаптера; встроенный интерфейс AC'97 дает возможность обойтись без модема и аудиоадаптера. Кроме того, в модуль ICH интегрирована микросхема CMOS, и даже BIOS встроена в микросхему FHW. В итоге плата 810 представляет собой образец для будущего развития системных плат, которые будут характеризоваться еще большей интеграцией микросхем, обеспечивающих достойную производительность для недорогих компьютеров низшего и среднего уровней.

Intel 815

Наборы микросхем системной логики 815 и 815Е, представленные в июне 2000 года, включают в себя интегральную видеосистему, возможности которой могут быть расширены посредством разъема AGP 4x. Версия 815EP, представленная несколькими месяцами позже, не содержит встроенной видеосистемы и, как следствие, имеет более низкую цену. В марте 2001 года была представлена улучшенная версия модели 815EP - набор микросхем 815P. В сентябре того же года появились еще два представителя этого семейства - 815G и 815EG. Обратите внимание, что буква G означает интегрированную в набор микросхем графическую подсистему.
Наборы микросхем 815 поддерживают процессоры Celeron и Pentium III (Slot или Socket 370) и являются первыми наборами микросхем, разработанными компанией Intel для непосредственной поддержки памяти PCSDRAM. Набор микросхем 815, как и другие наборы Intel серии 8хх, создан на основе hub-архитектуры, которая обеспечивает соединение между основными компонентами набора с пропускной способностью 266 Мбайт/с. В конструкциях, созданных на основе архитектуры северный/южный мост, для этого использовалась шина PCI.
Существует шесть разновидностей набора микросхем 815, в целом включающих в себя пять основных системных компонентов: один hub-контроллер памяти (82815EP MCH - замена северного моста без интегрированной графической системы), два графических hub-контроллера памяти (82815 или 81815G GMCH - замена северного моста с интегрированной графической системой) и два hub-контроллера ввода-вывода (ICH и ICH2). В табл. 4.20 показано использование этих компонентов в платах семейства набора микросхем 815.

Вот основные характеристики набора микросхем 815:
- поддержка частоты шины 66/100/133 МГц;
- hub-архитектура Intel (266 Мбайт/с);
- интерфейсы ATA-100 (815E/EP) или ATA-66 (815);
- поддержка модулей памяти SDRAM типа PC100 или PC133CL-2;
- поддержка до 512 Мбайт RAM;
- интегрированный контроллер Audio-Codec 97 (AC97);
- экономный режим ожидания;
- встроенный генератор случайных чисел (RNG) для обеспечения высокого уровня систем безопасности;
- один (815) или два (815E/EP) интегрированных контроллера USB с двумя или четырьмя портами соответственно;
- шина LPC, соединяющая микросхемы Super I/O и Firmware Hub (ROM BIOS);
- отсутствие шины ISA.
К дополнительным свойствам наборов микросхем 815/E/G/EG относятся:
- интегрированная графическая система Intel AGP 2x;
- эффективное использование системной памяти для увеличения производительности графической подсистемы;
- поддержка дополнительной видеопамяти объемом 4 Мбайт (не во всех системах);
- поддержка порта Digital Video Out, совместимого со спецификацией DVI для плоскопанельных мониторов;
- программное обеспечение воспроизведения MPEG-2 DVD с аппаратной компенсацией изображения.
Контроллер ICH2, используемый в наборах микросхем 815E/EP/EG, поддерживает спецификацию ATA-100, позволяющую повысить быстродействие дисковода до 100 Мбайт/с. Конечно, подобная производительность необходима далеко не каждому дисководу, однако она позволяет устранить возможный критический параметр. Другим отличием являются два контроллера USB и четыре встроенных порта. Эта особенность позволяет повысить рабочие характеристики USB вдвое, распределяя устройства по двум портам, и дает возможность осуществить до четырех соединений.
Встроенный Ethernet-контроллер
Одним из важных свойств набора микросхем 815 является непосредственная интеграция контроллера “быстрой” Ethernet. Интегрированный контроллер локальной сети (LAN) работает с одним из компонентов различных физических уровней и позволяет производителям компьютерных систем организовать одну из трех возможных схем:
- расширенная Ethernet со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/с, использующая технологию Alert on LAN;
- основная Ethernet со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/с;
- внутренняя сеть со скоростью передачи данных 1 Мбит/с.
Физические компоненты уровня могут быть расположены непосредственно на системной плате компьютера (в виде дополнительных микросхем) или установлены с помощью адаптера, подключаемого в разъем CNR. Платы и разъем CNR позволяют сборщикам ПК формировать готовые сетевые системы для различных рынков.

Линейный модуль памяти AGP

Общим для наборов микросхем 815/815E является один и тот же встроенный адаптер трехмерной графики AGP 2x, а основное различие заключается в способах его расширения. К вариантам улучшения параметров графической системы относится плата Graphics Performance Accelerator (GPA), показанная на рис. 4.33, или же плата AGP 4x. Плата GPA (она называется также AGP Inline Memory Module - AIMM), в сущности, представляет собой высокопроизводительную плату видеопамяти, которая устанавливается в разъем AGP 4x и повышает эффективность интегрированной графической системы примерно на 30%. Для дальнейшего повышения производительности можно воспользоваться платой AGP 4х, установив ее в соответствующий разъем AGP 4х и отключив интегрированную графическую систему. В целом интегрированная графическая система позволяет создавать более дешевые компьютеры с
приемлемыми графическими параметрами. Платы GPA или AGP 4х, установленные в этих компьютерах, позволяют повысить производительность графической системы на 100% и более.

Разъем AGP 4x

Модуль GPA/AIMM (4 Мбайт), устанавливаемый в разъем AGP системной платы, использующей набор микросхем 815 или 815E
Поддержка памяти PC133
Одним из важных свойств набора микросхем 815 является поддержка памяти PC133, наряду с памятью РС100. Осуществив поддержку памяти PC133, Intel официально установила более высокий по сравнению с существующими стандарт памяти PC133. Без сомнения, это повлечет за собой некоторую путаницу. Для того чтобы соответствовать всем требованиям спецификации Intel PC133, память должна поддерживать схему синхронизации 2-2-2, называемую иногда CAS-2 (Column Address Strobe - строб адреса столбца) или CL-2. Отношение чисел к количеству циклов синхронизации определяет выполнение ряда функций.
- Команды Precharge -Active. Зарядка запоминающих конденсаторов памяти для их подготовки к обработке данных.
- Команды Active-Read. Выбор считываемых строк и столбцов в массиве памяти.
- Команды Read-Data Out. Считывание данных из выбранных строк и столбцов для их передачи.
Существующая сегодня память PCтребует три цикла для выполнения каждой из перечисленных функций, поэтому ее следовало бы назвать памятью PC 3-3-3, CAS-3 или CL-3. Следует заметить, что вместо памяти CL-3 может быть использована более быстрая память PC133 CL-2, но не наоборот.
Результатом более жесткой синхронизации цикла PC133 CL-2 стало сокращение начального времени ожидания до 30 нс (для памяти PC133 CL-3 эта величина составляет 45 нс). Это привело к повышению быстродействия памяти на 34%.
Выполненные усовершенствования позволяют набору микросхем 815 занять господствующее положение на рынке PC и отказаться от приобретения более дорогой памяти RDRAM. В сущности, набор микросхем 815 разрабатывался для замены устаревшего набора 440BX.

Intel 820 и 820E

Этот набор микросхем продолжает серию наборов 800 и в нем используется все та же новая hub-архитектура. Набор Intel 820 поддерживает процессоры Pentium III и Celeron (Slot 1 и Socket 370), технологию памяти RDRAM, частоту системной шины 133 МГц и AGP 4х.
Микросхема 82820 Memory Controller Hub (MCH) обеспечивает интерфейсы процессора, памяти и AGP. Она выпускается в двух версиях: поддерживающая один процессор (82820) и два процессора (82820DP). Микросхема 82801 I/O Controller Hub (ICH) используется во всех наборах микросхем серии 800. В микросхеме 82802 Firmware Hub (FWH) реализованы BIOS и генератор случайных чисел (Intel Random Number Generator - RNG).

Соединение между компонентами MCH и ICH осуществляется с помощью шины Intel Hub Architecture, а не PCI, как в предыдущих наборах микросхем с архитектурой северного/ южного моста. Такой способ соединения компонентов обеспечивает скорость передачи до 266 Мбайт/с.
Набор 820 поддерживает память типа RDRAM (Rambus DRAM), которая, как минимум, в два раза производительнее стандартной памяти типа PC-100 SDRAM. Набор 820 поддерживает следующие типы памяти RDRAM: PC600, PC700 и PC800. Шина памяти PC800 RDRAM работает на удвоенной частоте 400 МГц и передает 16 бит (2 байта) за один такт (2 × × = 1,6 Гбайт/с). В два разъема RIMM можно установить до 1 байт системной памяти.
Интерфейс AGP набора 820 позволяет графическим контроллерам получать доступ к памяти со скоростью AGP 4x (около 1 Гбайт/с), что в два раза превышает скорость AGP 2x. На рис. 4.34 представлена блок-схема набора микросхем Intel 820.

Набор микросхем Intel 820 обладает следующими возможностями:
- поддерживает частоту шины 100/133 МГц;
- использует hub-архитектуру Intel (266 Мбайт/с);
- поддерживает модули памяти RIMM типа PC800 RDRAM;
- поддерживает AGP 4x;
- использует интерфейсы ATA-100 (820E) или ATA-66;
- имеет генератор случайных чисел (Intel Random Number Generator - RNG);
- поддерживает интерфейс Low Pin Count (LPC);
- содержит контроллер AC97;
- имеет четыре (820E) или два порта USB.
Основной компонент набора микросхем Intel - это 324-контактная микросхема 82820 (один процессор) или 82820DP (два процессора) Memory Controller Hub в корпусе типа Ball Grid Array (BGA). Компонент 82801 I/O Controller Hub представляет собой 241-контактную микросхему в корпусе Ball Grid Array (BGA), а 82802 Firmware Hub - это обычная микросхема Flash ROM BIOS. Иногда при установке на системной плате разъемов ISA используется микросхема 82380AB PCI-ISA Bridge.
В обновленной версии набора 820E используется компонент 82801BA I/O Controller Hub (ICH2), который поддерживает спецификацию ATA-100 и сдвоенный котроллер USB, т.е. всего четыре порта USB.
Ошибка набора микросхем 820
Набор 820 поддерживает память типа RDRAM (Rambus DRAM). Однако на рынке все еще пользуется популярностью более дешевая память SDRAM. Поэтому Intel создала микросхему транслятора RDRAM-SDRAM, называемую Memory Translator Hub (MTH). К сожалению, в этой микросхеме был выявлен дефект, так что Intel в середине 2000 года пришлось заменять миллионы системных плат с дефектной микросхемой MTH. Это напоминает последствия обнаружения ошибки в процессоре Pentium в 1994 году.
В мае 2000 года Intel официально объявила о том, что все системные платы с дефектной микросхемой MTH будут заменены. Ошибка состояла в неожиданном зависании или перезагрузке системы. Обратите внимание, что эта проблема проявляется лишь при использовании памяти SDRAM с набором микросхем Intel 820. При установке модулей памяти RDRAM в такую плату ошибка не проявляется.
В течение некоторого времени Intel предлагала утилиту MTH I.D, которая позволяла быстро определить, подлежит ли ваша системная плата замене, в том числе и модуль памяти RDRAM RIMM объемом 128 Мбайт. Однако в настоящее время Intel не поддерживает данный набор микросхем, а утилита недоступна для загрузки. Также имейте в виду, что набор микросхем 820 изначально рассчитан для использования совместно с памятью RDRAM, а значит, при работе с системами, оснащенными памятью RDRAM, проблем возникать не должно.

Intel 840

Этот набор микросхем предназначен для создания системных плат с гнездами Slot 1, Slot 2 (процессоры Xeon) или Socket 370 для высокопроизводительных и мультипроцессорных систем. Набор 840 имеет ту же архитектуру, что и другие наборы серии 800. На рис. 4.35 показаны микросхемы набора Intel 840.
Кроме этих основных компонентов, в наборе микросхем Intel 840 используются еще три компонента.
- 82806 64-разрядный PCI Controller Hub (P64H). Поддерживает 64-разрядные разъемы шины PCI, работающей на частоте 33 или 66 МГц. Этот компонент напрямую подключается к MCH через шину Intel Hub Architecture. Это первая реализация 64-разрядной шины PCI на 66 МГц. показана блок-схема набора микросхем системной логики Intel 840. Набор 840 обладает следующими возможностями:
- поддерживает частоту шины 100/133 МГц;
- содержит два канала памяти RDRAM, работающих совместно и обеспечивающих полосу пропускания до 3,2 Гбайт/с;
- 16-разрядная реализация Intel Hub Architecture (HI16) позволяет использовать более производительную шину PCI;
- поддерживает AGP 4x;
- имеет генератор случайных чисел (Intel Random Number Generator - RNG);
- использует два порта USB.
К необязательным элементам набора 840 относятся сетевой и RAID-интерфейс. Для их реализации необходимо добавить соответствующие микросхемы.
Блок-схема набора микросхем Intel 840
Наборы микросхем системной логики сторонних производителей (не Intel) для процессоров шестого поколения (P6)
Несколько компаний производили наборы микросхем для процессоров поколения P6, в том числе ALi Corporation, VIA Technologies и SiS. Предложения этих компаний описаны в следующих разделах.
Наборы микросхем производства ULi (Acer Labs) для процессоров класса P6
Компания ULi Electronics (прежнее название - Acer Labs) производила целый ряд наборов микросхем для процессоров класса P6. Краткие сведения о данных наборах микросхем.

*Микросхема 3Com 10/100 Ethernet только в версии C.