Архітектура комп'ютерів

Шлях даних з оперативної пам'яті до процесора досить значний: системна шина процесора - контролер оперативної пам'яті - мікросхеми оперативної пам'яті - контролер оперативної пам'яті - системна шина процесора - споживач даних. Чотири рази інформації доводиться виходити за межі мікросхем, а це досить значні додаткові затримки. Іноді не вистачає пропускної здатності системної шини. Набагато частіше трапляються великі затримки через не ефективну роботу північного моста й контролера оперативної пам'яті через асинхронність. В результаті збільшується затримка (латентність) отримання даних з оперативної пам'яті, збільшуються простої процесора і зменшується продуктивність обчислювальної системи.

Для скорочення латентності оперативної пам'яті і підвищення продуктивності обчислювальної системи в цілому раціонально:

максимально можливо скоротити шлях від процесора до оперативної пам'яті;

максимально можливо збільшити пропускну здатність всіх міжмікросхемних інтерфейсів;

ліквідувати втрати від асинхронності процесора та контролера оперативної пам'яті.

Досягти поставленої мети можливо реалізувавши контролер оперативної пам'яті та процесор в одній мікросхемі, а для збільшення пропускної здатності міжмікросхемних інтерфейсів паралельний системний інтерфейс процесора, паралельні інтерфейси інших мікросхем замінити інтерфейсом з значно більшою пропускною здатністю, а саме послідовним інтерфейсом Hyper Transport.

Саме так вирішили цю проблему розробники фірми AMD в процесорах Athlon 64, Opteron та їх наступних версіях.

В результаті реалізації таких заходів інформація між мікросхемами (процесором та мікрохемами оперативної пам'яті) передається тільки 2 (а не 4 рази) рази, не має проблем в реалізації синхронної роботи процесора та контролера оперативної пам'яті.

Для інших споживачів даних оперативної пам'яті (а це графічна підсистема та підсистема вводу-виводу) шлях до оперативної пам'яті обчислювальної системи зріс в порівнянні з варіантом обчислювальної системи з контролером оперативної пам'яті в північному мості. Однак, так як звернення до оперативної пам'яті з процесора більш інтенсивні, то такий варіант може забезпечити підвищення продуктивності обчислювальної системи в залежності від виконуваних програм.

Таким чином, в процесорах Athlon 64, Opteron були реалізовані такі нововведення:

- контролер оперативної пам'яті був інтегрований в процесор;

- набір системної логіки (чипсет) складався із трьох мікросхем, але без північного моста;

- для зв'язку між мікросхемами системної логіки, а також між мікросхемами системної логіки й процесором був використаний новий послідовний інтерфейс Hyper Transport.

Революційним нововведенням процесорів Athlon 64, Opteron з'явилася підтримка інтерфейсу HyperTransport - універсального інтерфейсу міжмікросхемного (міжчипового) з'єднання, в основу якого покладені дві концепції: універсальність і масштабність.

Універсальність інтерфейсу HyperTransport полягає в тому, що він дозволяє зв'язувати між собою не тільки процесори, але й інші компоненти материнської плати.

Масштабність інтерфейсу полягає в тому, що він дає можливість нарощувати пропускну здатність залежно від конкретних потреб користувача.

Пристрої, які зв'язуються по інтерфейсу HyperTransport, з'єднуються за принципом "точка - точка", що має на увазі можливість зв'язування в ланцюжок багатьох мікросхем без використання спеціалізованих комутаторів. Передача та прийом даних можуть відбуватися в асинхронному режимі, причому передача даних організована у вигляді пакетів довжиною до 64 байт.

Масштабність інтерфейсу HyperTransport забезпечується за допомогою паралельної роботи 2, 4, 8, 16 і 32 каналів (одиночних інтерфейсів) у кожному напрямку. Крім того, передбачається можливість роботи на різних тактових частотах (від 200 до 800 Мгц та більше в нових розробках). При цьому передача даних відбувається по обох фронтах тактового імпульсу. Таким чином, пропускна здатність інтерфейсу HyperTransport міняється від 200 Мбіт/с при використанні частоти 200 Мгц і двох двобітних каналів до 12,8 Гбіт/с при використанні тактової частоти 800 Мгц і двох 32-бітних каналів. Надалі передбачається збільшення частоти передач інформації.

Мікросхеми системної логіки (чипсета)

Отже, після переносу в процесор контролера оперативної пам'яті, найбільш складної частини контролера AGP, контролера інтерфейсу HyperTransport з функцій мікросхем системної логіки залишилися: частина контролера AGP, контролери вводу-виводу, контролер інтерфейсу PCI. Властиво, усе. Можна, звичайно, всі частини, що залишилися, інтегрувати в одну мікросхему (наприклад, фірма NVIDIA так і зробила). Але фірма AMD знайшла ще більш гарне рішення. Було створено три мікросхеми серії AMD8000:

- AMD8151- Hyper Transport -AGP tunnel,

- AMD8131- Hyper Transport - PCI-X контролер,

- AMD8111- Hyper Transport - контролер вводу-виводу, контролер інтерфейсу PCI, BIOS, і всі функції, що залишилися, а саме: IDE контролер, USB 2.0, мережа, та інше. Технічні характеристики AMD8151, AMD8131, AMD8111 приведені в п.11.2.4.

Що ж дає такий поділ праці? Навіщо три мікросхеми, коли в принципі можна обійтися однією?

А справа тут в тому, що далеко не всім користувачам потрібні абсолютно всі можливості, які надає набір мікросхем системної логіки. Звичайно частина функцій не використовується, але користувач однаково за них платить - і, взагалі ж, всі звикли до того, що це нормально. Але задамося питанням, чи багатьом удома або в офісі потрібен контролер інтерфейсу PCI-X, який застосовується аж ніяк не в домашніх обчислювальних системах? Але ж додавання подібного інтерфейсу відчутно збільшує ціну обчислювальної системи. В той же час взагалі відмовитися від цього інтерфейсу не можна, він активно використовується в серверах. А чи багатьом серверам взагалі потрібна відеопідсистема та інтерфейс AGP? Так, по звичці туди ставиться AGP-відеокарта - але просто тому, що процес переходу на інтерфейс AGP відбувся занадто вдало, до практично повного зникнення PCI-відеокарт. Отож, якщо не потрібні всі зазначені функції, то для побудови обчислювальної системи обов'язкова тільки одна мікросхема - AMD8111. Інші дві, взагалі можуть бути відсутні. Звичайно, сучасну обчислювальну систему без графічної підсистеми важко собі представити, але, говорячи відверто, є величезна область робіт, у якій цілком справляється і інтегроване відео, а здешевлення та зменшення габаритів обчислювальної системи досить бажані. Домашні, ігрові обчислювальні системи цілком розумно будувати на комплекті AMD8151 + AMD8111 - є все, що необхідно, і немає зайвих функцій. Сервер - рекомендується AMD8131 (при необхідності можна декілька) + AMD8111. Отже, замість одного чипсета для великих обчислювальних систем, одного - для робочих станцій, одного або декількох - для серверів розроблений один будівельний набір із трьох компонентів, які можна поєднувати практично в будь-якій зручній комбінації. Цікава й здорова ідея. На мал. представлений приклад структури обчислювальної системи на базі процесора фірми AMD Athlon 64 або Opteron.

Структура обчислювальної системи на базі процесора фірми AMD Athlon 64 або Opteron

У структурі обчислювальної системи на мал. використані тільки 2 мікросхеми з набору, але саме ті, котрі потрібні для персональної обчислювальної системи. Інтерфейси PCI-X у персональних обчислювальних системах не використовуються.

Література

1. Хамахер К., Вранешевич З., Заки С. Организация ЭВМ, 5-е изд., - СПб.: Питер, Киев. Издательская группа BHV, 2003. - 848 с.: ил.

2. Брайант Р., О'Халларон Д. Компьютерные системы: архитектура и программирование. Пер. с англ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.: ил.

3. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2004. - 668 с.: ил.

4. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. М.: Финансы и статистика, 1998, 400 с.

5. Корнеев В.В. Вычислительные системы. - М.: Гелиос АРВ, 2004. - 512 с., ил.

6. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003, 440 с.

7. Гук М.Ю. Шины PCI, USB и Fire Wire. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2005.-540 с.: ил.

8. Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 576 с.: ил.

9. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.: Энергоатомиздат, 1991. 592 с.

10. Касперски К. Техника оптимизации программ. Эффективное использование памяти. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 464 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru