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1 Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 15.11.2012 1 Computer-Systeme Teil 6: Motherboard Verbesserte Version Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 2 Literatur http://de.wikipedia.org/wiki/Cache Hübscher, Heinrich et al.: IT-Handbuch, IT-System- elektroniker/-in, Fachinformatiker/-in. Westermann, 2. Auflage, 2001, S.104-109 [6-2] Engelmann, Lutz (Hrsg.): Abitur Informatik – Basiswissen Schule. Duden-Verlag, 2003, S.43-47, 214-224, 239-242 [6-1]

Computer-Systeme Teil 6: Motherboardwi.f4.htw-berlin.de/users/messer/LV/WI-GWI-RABS/Folien/CS-06/06-CS... · 3 Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 5 Princeton-Architektur

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 15.11.2012 1

Computer-Systeme

Teil 6: Motherboard

Verbesserte Version

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 2

Literatur

http://de.wikipedia.org/wiki/Cache

Hübscher, Heinrich et al.: IT-Handbuch, IT-System-elektroniker/-in, Fachinformatiker/-in. Westermann, 2. Auflage, 2001, S.104-109

[6-2]

Engelmann, Lutz (Hrsg.): Abitur Informatik – Basiswissen Schule. Duden-Verlag, 2003, S.43-47, 214-224, 239-242

[6-1]

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 3

Übersicht

• Verfahren zur Beschleunigung– CPU-Cache– Pipeline

• Globaler Bus, Front Side Bus• Input/Output• DMA• Alles zusammen: Motherboard• Kommunikation mit externen Geräten

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 4

Die einzelnen Ebenen

3

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 5

Princeton-Architektur – noch einmal

Ein-/Ausgabe-werk

ArbeitsspeicherDaten

Instruktionen

Leitwerk(Steuerwerk)

Rechenwerk

Steuerung

CPU

Bus

RAM I/O

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 6

Verfahren zur Beschleunigung

• CacheIdee: Geschickte Benutzung schneller Pufferspeicher mit automatischer Steuerung

• PipeliningIdee: Versuch einer CPU so viele Phasen einer Befehls-ausführung wie möglich trotz sequenzieller Programme parallel auszuführen.Aber alle Befehle werden untereinander betrachtet sequentiell ausgeführt, d.h. es gibt keine Parallelität der Befehle und damit keine parallelen Programme.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 7

Pipelining I

• Pipelining = Verfahren, bei dem Phasen der Instruk-tionsausführung verschiedener hintereinander auszufüh-render Befehle eines Programms parallel ausgeführt werden

• Superpipelining = Pipelining-Verfahren, bei dem auch Phasen gleicher Art (teil-)parallel ablaufen

• Super Skalar Pipelining = Pipelining-Verfahren, bei dem mehrere Instruktionen (teil-)parallel ablaufen

• Phasen einer Befehlsausführung:1. Holen der Instruktion2. Holen der Operanden3. Ausführen des Befehls4. Zurückschreiben der Ergebnisse

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 8

Pipelining II

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Pipelining

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Zeit

Befehl 1

Befehl 2

Befehl 3

.....

Superpipelining

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswriteBefehl 1

Befehl 2

Befehl 3

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

.....

5

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 9

Pipelining III

Super Skalar Pipelining

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Zeit

Befehl 1

Befehl 2

Befehl 3

.....

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Instructionfetch

Datafetch

ExecuteResultswrite

Befehl 4

Befehl 5

Befehl 6

Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Hyperthreading

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 10

Cache

Cache = schneller Zwischenspeicher, in dem Daten/Instruktionengehalten werden, von denen gehofft wird, dass auf diese bald zugegriffenwird. In diesem Fall werden sie vom Cache und nicht vom RAM geliefert.

CPU

Daten-Instruktionszugriff

Cache

Bus (Schnittstelle zum restlichen System)

Daten-Instruktionszugriff

Register

....

(schneller RAM)

Speicher werdenlangsamer,größer undbilliger

6

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 11

Mechanismus

• CPU liest Datum– Cache prüft, ob Datum vorhanden

Falls ja, Datum wird unmittelbar geliefertFalls nein, Datum wird aus RAM geladen, in den Cache gebracht und der CPU geliefert

– Beim Laden: Es werden die Daten im Cache bestimmt, die entfernt werden müssen. Dies erfolgt nur, wenn der Cache voll ist und etwas gelöscht werden muss.

• CPU schreibt ein Datum– Datum wird im Cache gespeichert und

sofort in den RAM geschrieben odererst dann in den RAM geschrieben, wenn dieses Datum verdrängt wird, weil im Cache Platz geschaffen werden muss.

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 12

Cache Level I

• In Abhängigkeit vom Ort, Technologie und Funktion werden verschiedene Levels (Ebenen) eingeführt:– Level 1 (L1) Cache: Cache innerhalb des CPU-Chips– Level 2 (L2) Cache: Cache in unmittelbarer Nähe der CPU

oder auch innerhalb des CPU-Chips

CPU

L1-Cache

L2-Cache

Bus (Schnittstelle zum restlichen System)

L3-Cache

RAM

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 13

Cache Level II

• Wo welcher Cache verwendet wird, hat sich im Laufe der letzten 30 Jahre geändert:– Kein Cache– L1-Cache als RAM beim CPU-Chip– L1-Cache auf CPU-Chip, L2-Cache auf CPU-Modul– L1- und L2-Cache auf CPU-Chip

• Architekturen mit mehreren CPU-Kernen haben drei Level:– Level 1 (L1) Cache: Cache innerhalb des CPU-Chip– Level 2 (L2) Cache: 2. Cache im CPU-Chip– Level 3 (L3) Cache zwischen mehreren CPUs und Bus

• CPU-Modul = Kleine Karte mit CPU und Cache-Chips, die in einen Slot gesteckt wird (bei Intel nur Pentium II)

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 14

Probleme der Cache Realisierung

• Cache-Kohärenz (Übereinstimmung mit RAM):Der Cache muss immer die aktuellen Daten enthalten, auf keinem Fall veraltete. Dieses Problem tritt bei Mehr-Prozessoranlagen sowie bei I/O (DMA) auf. In diesen Fällen schreiben I/O-Geräte unter Umgehung des Caches etwas in den RAM.

• TrashingTrashing ist ein Effekt, bei dem die Daten, die als nächstes benötigt werden, vor diesem Zugriff aus dem Cache entfernt werden, so dass der Cache wenig Effekt hat.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 15

Front Side Bus (FSB) I

Wo welcher Cache vorhanden ist hängt von der CPU-Generation ab.

CPU

L1-Cache

L2-Cache

Back Side Bus

CPU-Modul

Front Side Bus

L3-Cache RAM

Memory Controller

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 16

Front Side Bus (FSB) II

• Front Side Bus = FSB = Bus zwischen CPU und RAM sowie zum restlichen Teil des Motherboards, z. B. Chipsatz.

• Back Side Bus = Interner auf dem CPU-Modul/Chip vorhandener Bus zwischen der CPU und dem Cache.

• Bezeichnungen wie FSB400 beschreiben die Leistungs-fähigkeit des FSB, wobei auch hier ähnlich zu den Speicherriegeln keine Konsistenz herrscht.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 17

Leistungen in der Speicherhierarchie

1010.000.000>100.000.000Hard Disk

4.00050<8.000.000RAM

25.00030< 8.000L2-Cache

50.00010<256L1-Cache

150.0001-5< 1Register

Bandweite [Mbyte/s]

Zugriffszeit [ns]

Größe[Kbyte]

Die Zugriffszeiten hängen von der Technik ab, z. B. ob EDO-RAM oder SRAM etc. benutzt wird. Die Tabelle gibt lediglich einen ersten Eindruck der Verhältnisse.

1000 ns = 1 µs, 1000 µs = 1ms

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 18

Ziele der Speicherhierarchie

• Durch Software - basierend auf der aktuellen Speicherbenutzung - werden die Daten auf der Hierarchie zum richtigen Zeitpunkt nach oben bzw. nach unten kopiert.

• An der Spitze werden die Daten verarbeitet und befinden sich in flüchtigen Speichern, an der Basis werden die Daten langfristig aufbewahrt und zur späteren Bearbeitung vorbereitet.

Dies basiert auf der empirischen Messung, dass die meisten Programmeder 90:10-Regel gehorchen: in 10% des Codes werden90% der CPU-Zeit verbraucht.Analog dazu mit 10% der Daten wird 90% der CPU-Zeit verbraucht.Also: es sollten immer die richtigen 10% in den höheren Ebenender Hierarchie sein.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 19

Princeton-Architektur – noch einmal

Ein-/Ausgabe-werk

ArbeitsspeicherDaten

Instruktionen

Leitwerk(Steuerwerk)

Rechenwerk

Steuerung

CPU

Bus

RAM I/O

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 20

Modell der CPU und I/O-Geräten

PC

SR

Daten-Register

32 bit 32 bit

Address-Register

32 bit

PC = Program CounterSR = Status Register

32-bit-CPU

SR

DR

Einfaches I/O-Gerät

SR

AR1

I/O-Gerät mit DMA

SR = Status RegisterDR = Datenregister

CR

SR = Status RegisterAR = AdressregisterCR = Count Register

AR2

AR

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 21

Register der CPU

• Typische Register sind: PC, SR, Daten- und Adressregister• PC = Program Counter enthält die Adresse der nächsten

Instruktion• SR = Status Register enthält Resultate der letzten

Instruktion sowie globale Zustände, wie z.B. Privilegien• Datenregister: Universell verwendbare Register für

Zwischenergebnisse• Adressregister: Register für Adressen des Arbeitsspeichers,

teilweise mit reservierter Bedeutung

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 22

Register der I/O-Geräte I

• SR = Status Register zeigt den Zustand des I/O-Vorgangs an, Schnittstelle zum Starten und Stoppen eines I/O-Vorgangs

• DR = Datenregister enthält nach Einlese-Operation das eingelesene Datum zum Abholen für die CPU bzw. vor Schreiboperation das zu schreibende Datum für das Gerät

• AR = Adressregister (auch mehrere) enthalten die Adresse im RAM oder auf dem I/O-Gerät.

• CR = Count Register enthält die Länge des Datenblocks, der während der I/O-Operation behandelt wird.

Diese Register können über den Bus direkt von der CPU gelesenund verändert werden.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 23

Register der I/O-Geräte II

• Alle Geräte-Register haben Adressen, ganz analog zu Speicherzellen, d.h. der Kommunikationsvorgang zwischen CPU und I/O-Gerät ist analog zum Zugriff auf den RAM.– Das Lesen aus einem I/O-Register hat die Bedeutung des

Abholens eines Wertes (Einlesen).– Das Schreiben in ein I/O-Register bewirkt ein Starten,

Stoppen oder ein Senden eines Datenwertes.– Die genaue Bedeutung wird individuell durch das Gerät

bestimmt.

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 24

Register der I/O-Geräte III

CPU

Register

GerätBus

Das Geräte-Register kann als eine Speicherzelle aufgefasst werden,in der Daten bzw. Kommandos an das Gerät gelegt werdenbzw. einzulesende Daten abgeholt werden.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 25

Beispiel eines I/O-Gerätes (Drucker)

Datenregister

Statusregister

1 Byte

WB Code

Ergebnis-CodeWrite-Bit

Busy-Bit

• Zuerst wird das zu druckende Byte in das Datenregister geschrieben.• Dann wird das Write-Bit gesetzt, was bedeutet, dass der Inhalt des

Datenregisters gedruckt wird.• Während dessen setzt das Gerät das Busy-Bit auf 1, was bedeutet, dass

es beschäftigt ist.• Ist der Drucker fertig, wird das Busy-Bit gelöscht und der Ergebnis-Code

gesetzt, z.B. auf 0, was bedeutet: alles OK.

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 26

Modell des RAMs und des I/O-Bereichs

RAM-Adressen

ByteAdresse einesWortes

Adresse + 0Adresse + 1

Byte

......

Byte als kleinste und homogen überden ganzen Speicher gehende Adres-sierungseinheit

0

max-1

246

8

max

......

0

max

246

8

I/O-Adressen

Byte

2 Bytes werden auchhier zu einem Wortzusammengefasst

I/O-Adressen werdenmanchmal Ports bzw.Portnummern genannt

I/O-Adressen könnengetrennt vom RAM, aberauch im selben Adress-bereich sein.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 27

Prinzipien von Bussystemen

EigeneAdresse

Vergleicher Datum

I/O-Elektronik

Vergleicher

EigenerAdressbereich

Datum

RAM-Matrix

Arbeitsspeicher

Adresse Art Datum

Informationen des Bus-Masters

Address-Bus

Control-Bus

Data-Bus

Puffer

Immer Slave

I/O-Gerät

Meist Slave

CPU

Immer Master

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 28

Aufbau

• AdressbusDatenleitungen mit den Adressen der Kommunikations-partner (8 bis 32 Leitungen):– Arbeitsspeicher/RAM: Adressen sind die der RAM-Zellen

(Bytes, Wörter, Doppelwörter etc.)– Adressen von Schnittstellen zur peripheren Geräten: Ports– Wird eine Adresse generiert, die zu keinem Partner gehört,

gibt es keine Kommunikation

• DatenbusDatenleitungen mit den zu transportierenden Daten(8 bis 64 Leitungen)

• KontrollbusLeitungen, die der Steuerung dienen(Synchronisation, Reset etc.)

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 29

Aufgaben des Kontrollbusses

• Art der Zugriffs:– Auf Arbeitsspeicher/RAM– Auf I/O-Gerät

• Zuteilung des Busses an ein Partner, der dann Master wird: Der Master belegt den Bus und bestimmt Adressen sowie KommunikationsrichtungDie vom Master angesprochenen Partner sind Slaves, alle anderen sind unbeteiligt.

• Mitteilung des Wunsches, Master zu werden• Mitteilung von Unterbrechungen und Reset-Signale• Synchronisation zwischen den Partnern

Anzeige, wann die Signale einen stabilen Pegel haben, Takt, Bestätigungen, Flusskontrolle etc.

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 30

Master

• Wer kann alles Master werden?– Alle CPUs - es können mehrere vorhanden sein– I/O-Geräte mit der Fähigkeit zum Zugriff auf den

Arbeitsspeicher (DMA)

• Wie lange bleibt ein Master Master?– Bis er freiwillig den Bus abgibt– Bis der Bus ihm die Kontrolle wieder abnimmt

• Wie wird ein Partner Master?– Eine spezielle Elektronik (Arbiter = Entscheider) teilt den Bus

den Partnern zu, wobei gleich berechtigte Prioritäten realisiert werden können, oder:

– Jeder meldet den Wunsch an und der setzt sich durch, der am nächsten zur CPU im Bus sich befindet (Daisy Chaining)

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 31

Arten von Bussen

• Bei den Bussen wird unterschieden, ob sie zur Kommunikation zwischen CPU und anderen Komponenten dienen (Systembusse) oder zwischen I/O-Schnittstellen und peripheren Geräten (I/O-Busse) dienen.

• Es gibt viele Systembusse:– ISA (Industry Standard Architecture, 1985) - Veraltet– EISA (Extended ISA) - Veraltet– PCI (Peripheral Component Interconnect)

Verschiedene Weiterentwicklungen– PCI-Express-Varianten

• Es gibt auch mehrere I/O-Busse:– SCSI (Small Computer System Interface)– Firewire– USB (Universal Serial Bus)

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 32

Kommunikation über Geräte-Register

• Treiber = device driver = Software zur Ansteuerung der I/O-Geräte (normalerweise) innerhalb der Kernels

• Aus der Sicht der CPU zeigt sich das I/O-Gerät als adressierbare Geräteregister, die zur Kommunikation beschrieben und gelesen werden:– Die CPU gibt dem Gerät Kommandos, indem sie die

Geräteregister über den Bus beschreibt.– Die CPU erfährt das Ergebnis von Kommandos, indem sie die

entsprechenden Register ausliest.

SR

DR

Einfaches I/O-Gerät

SR = Status RegisterDR = Datenregister

AR

SR

AR1

I/O-Gerät mit DMA

CR

SR = Status RegisterAR = AdressregisterCR = Count Register

AR2

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 33

Zugriff auf Geräte-Register I

• Spezielle I/O-InstruktionenDie I/O-Register haben spezielle Adressen (Portnummern)z. B. Intel 80x86: IN und OUT

CPU RAM I/O1 I/O2

BUS

CPU setzt beiI/O-Instruktioneneine spezielle Leitungdes Kontrollbusses

RAM ignoriert Bus,wenn dieseLeitung gesetzt ist

I/O ignoriert Bus,wenn dieseLeitung nichtgesetzt ist

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 34

Zugriff auf Geräte-Register II

• Memory Mapped I/O:Adressen der I/O-Register befinden sich innerhalb des Bus-AdressraumsZugriff mit normalen Instruktionen, d.h. es gibt keine speziellen I/O-Instruktionen, z. B. MC 680x0

Betriebs-system

BUS

I/O-Geräte verhalten sichwie der RAMCPU kommuniziert mitI/O-Geräten wie mit demRAM

PhysikalischerAddressraum

Niedrige Adressen Hohe Adressen

Lücke I/O-Geräte

Bereich, in dem RAM vorhanden ist

CPU RAM I/O1 I/O2

Programme

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 35

Direct Memory Access (DMA)

CPU RAM I/O1 I/O2

BUS

I/O-Gerät transferiert imAuftrag der CPU einenDatenblock vom/zum RAM

(1) Auftrag

(2) Daten

Status (SR)

I/O-Address (AR1)

Register

RAM-Address (AR2)

Name

Betreffende Adresseauf dem I/O-Gerät

Adresse des Datenblocks

Anzeige und Kommando

Busy-Bit

Lesen/Schreiben-BitsFehlercode der letzten Operation

Length (CR) Länge des Datenblocks

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 36

Bemerkungen

• Bei DMA wird das I/O-Gerät Bus-Master und überträgt in Konkurrenz zur CPU seine Daten direkt in den RAM bzw. holt sich seine Daten direkt aus dem RAM.

• Dies entlastet die CPU sehr stark.• Selbstverständlich können mehrere DMA-Geräte parallel

arbeiten; dann bemühen sich diese Geräte und die CPU in Konkurrenz um den Bus.

• Damit I/O-Geräte die CPU nicht besonders stark stören, können für den Zugriff der CPU auf den RAM besondere Datenpfade (extra Busse) vorgesehen werden.

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 37

Input/Output - Mit DMA-Gerät

1. Schreibe die RAM-Adresse ins Geräte-Register AR22. Schreibe die I/O-Adresse ins Geräte-Register AR1

Das kann eine Nummer eines Blocks auf einer Platte sein.3. Schreibe die Anzahl der Blöcke bzw. Bytes, die verarbeitet

werden sollen, in das Geräte-Register CR4. Nun starte den Lesevorgang durch Setzen des Read-Bits im

Status-Register des Geräts (SR). Dadurch beginnt der Lesevorgang.Oder: Durch Setzen des Schreibbits im Status-Register SR beginnt ein Schreibvorgang.

5. Das Gerät setzt sofort das Busy-Bitund beginnt zu arbeiten.

6. Am Ende wird das Busy-Bit gelöschtund ein Return-Code ins Status-Register SR geschrieben.

Status (SR)

I/O-Address (AR1)

RAM-Address (AR2)

Length (CR)

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 38

Input/Output - Ohne DMA-Gerät

1. Durch das Beschreiben der Daten- und Adressregister (DR und AR) wird der nächste I/O-Vorgang vorbereitet.

2. Durch das Beschreiben des Statusregisters SR wird der I/O-Vorgang gestartet.

3. Das Gerät arbeitet und zeigt dies durch Setzen des Busy-Bits im Statusregister SR an.Währenddessen kann die CPU dieses Bit abfragen, um das Ende des I/O-Vorgangs festzustellen.

4. Das Gerät beendet seine Arbeit: Das Busy-Bit ist gelöscht und der Status-Code in das Status-RegisterSR geschrieben.

5. Wenn gelesen wurde: Die CPU holt dasErgebnis vom Gerät ab und schreibt esin den RAM.Wenn geschrieben wurde: Die CPU prüftden Status-Code.

SR

DR

Einfaches I/O-Gerät

SR = Status RegisterDR = Datenregister

AR

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 39

Input/Output – Mit/Ohne DMA-Gerät

• In beiden Fällen beauftragt die CPU das I/O-Gerät. Das erfolgt durch das Beschreiben der Geräte-Register.

• Der Unterschied liegt im Datentransport– Ohne DMA: Die CPU selbst überträgt in kleinen Häppchen die

Daten an das Gerät bzw. holt die Daten vom Gerät ab.– Mit DMA: Die CPU ist am Datentransport nicht beteiligt. Das

Gerät schreibt bzw. liest die Daten selbständig in bzw. aus dem RAM.

• Der Auftrag unterscheidet sich auch:– Ohne DMA: Lediglich die Adresse des Datums auf dem Gerät.– Mit DMA: Adresse im RAM, Anzahl der Daten, Richtung und

Adresse der Daten auf dem Gerät.

Unterschiede zwischen Betrieb mit und ohne DMA

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 40

Motherboards

• Motherboard = Hauptplatine = Platine/Karte mit CPU, RAM, Bus und optional den Schnittstellen zur Ein-/Ausgabe.

• Das Motherboard hat eine viel niedrigere Taktrate als die CPU:– 100 MHz (veraltet)– 133 MHz..533 MHz und höher

Diese Werte gelten für den Front Side Bus (FSB), auf dessen Werte die RAM-Bausteine abgestimmt sein müssen: PC66, PC100, PC133,... (siehe Speicherriegel)

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 41

Chipsätze

• Der Chipsatz steuert die einzelnen Komponenten eines PC. Dies sind mindestens 2 Chips, die den größten Teil der Steuerung integriert haben.Dessen Leistungsfähigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die gesamte Performance des Rechners.

• Es gibt verschiedene Chip-Sätze, die mit bestimmten Entwürfen der Motherboards einhergehen.

• Intel beherrscht heute vollständig den Markt der Chipsätze, was früher (80er-Jahre) nicht so war.

• Erfinder der Chipsätze war 1986 Chips and Technologies (einer Firma, die es sogar heute noch gibt...).

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 42

Struktur des Motherboards

• Es gibt eine in der Leistungsfähigkeit abgestufte Busstruk-tur, die jeweils mit einem Teil eines Chipsatzes als "Brücke" verbunden wird:– Northbridge verbindet den CPU-Bus (Frontside-Bus) mit dem

PCI-Bus mit den die schnelleren peripheren Geräten– Southbridge verbindet den PCI-Bus mit dem ISA-Bus mit den

die langsamen peripheren Geräten– Super I/O-Chip ist mit dem ISA-Bus verbunden und steuert die

langsamen Geräte

• Die Chips der beiden Brücken manchmal auch zusammen mit dem Super I/O-Chip werden Chipsatz genannt.

• Neben diesem hier erläuterten Brückensystem gibt es noch ein neueres Hub-System (Hub = hier: Verteiler).

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 43

Ein Motherboard

CPU(Kühlkörper)

Northbridge

Southbridge

EISA

PCI

RAM

BIOS (EE)PROM

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 44

Intel x86 - 486

486DX2-CPU mit abgenommenen Kühler

Siehe auch: http://www.cpu-galaxy.at/CPU/Intel CPU/CPU Intel.htm

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 45

Größen von Motherboards

• Formfaktor = Größe in Länge, Breite und Höhe der Hauptplatine, Position der Befestigungen sowie physikalische Größen der Schnittstellen

• Es gibt u.a. folgende Formfaktoren:– Baby-AT (wirtschaftlich erfolgreichste Größe, ca. 13 Jahre

1983 bis 1996 benutzt)– ATX (gegenwärtig am weitesten verbreitet)– Mikro-ATX (eine kleinere billigere Version von ATX)– NLX (verbessertes LPX mit genauen Festlegungen)

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 46

PC-Busse auf Motherboards

• EISA (Extended ISA)ISA (Industry Standard Architecture)Veraltet, gilt aber heute noch als gut: sehr robust, zuverlässig und für viele Belange ausreichend

• PCI (Peripheral ComponentInterconnect) und VariantenInzwischen (fast) veraltet

PCIe 2.0

PCIe 1.1

2002PCIe 1.0

2002PCI-X 2.0

1999PCI-X 1.0

2004PCI 3.0

2002PCI 2.3

1999PCI 2.2

1991PCI 1.0

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 47

Peripheral Component Interconnect (PCI)

• Erste Version 1992/3• Version 2 von 1993, Version 2.1 hat doppelte Taktrate• 32 bit Daten- und Adressbus

Parity für Daten und Adressen• Synchrone Bus-Operationen bis 33 MHz, später 66 MHz• Selbstkonfiguration durch Komponenten• Plug-and-Play (PnP) fähig:

PnP-Fähigkeit = Bussteuerung und Karten können sich automatisch bei Aktivierung konfigurieren

• Prozessor-unabhängigWird u.a. auch von Apple Macintosh (PowerPC) benutzt

• In PCs weit verbreitet, aber am Aussterben;heute werden nur noch die Express-Versionen verbaut.

Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 48

PCI-Varianten

• InfiniBand: 2,5..30 Gbit/s• PCI-Express:

2,5 Gbyte/s bei 8 LeitungenHierbei wird eigentlich nur 1 Leitung definiert– PCI-X 1.0: 1 Gbyte/s– PCI-X 2.0: 2,1..4,3 Gbyte/s

www.pcisig.com

3,3 V1.000 Mbyte/s133 MHz64 bitPCI-X 1.0

3,3 V533 Mbyte/s66 MHz64 bitPCI 2.3

5 V266 Mbyte/s33 MHz64 bitPCI 2.0

5 V132 Mbyte/s33 MHz32 bitPCI 1.0

SpannungDatenrateTaktDatenbusbreiteName

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Computer-Systeme – WS 12/13 - Teil 6/Motherboard 49

Nach dieser Anstrengung etwas Entspannung....