I bus della scheda madre.

Modello di una sistema a microprocessore

Le linee di comunicazione tra il microprocessore e i dispositivi di supporto sono denominate bus.

Si chiama bus dati, o data bus, il gruppo delle linee che trasportano dati.

Si chiama bus indirizzi, o address bus, l'insieme delle linee che trasportano gli indirizzi.

Ognuna delle linee che appartiene ad uno dei due bus porta un bit. I bit presenti su tutto il gruppo di linee del bus, in un certo istante, nel loro insieme, rappresentano la codifica di un dato o di un indirizzo.

A seconda del microprocessore, il bus dati può avere 8, 16, 32 o 64 linee. II numero di bit del bus dati rappresenta il parallelismo del microprocessore, cioè la massima dimensione degli operandi che è in grado di trasferire in un singolo periodo di clock. La larghezza del bus indirizzi determina il massimo spazio di indirizzamento, inteso come spazio degli indirizzi di memoria disponibili.

Le interfacce di ingresso e uscita sono indirizzate con un numero minore di linee, ad esempio 10, e lo spazio di indirizzi delle periferiche si sovrappone allo spazio di indirizzi della memoria. La CPU però lo distingue perchè, accanto all'indirizzo depositato sul bus, attiva il segnale MEMR (Memory Read) o MEMW (Memory Write) per indicare che l'indirizzo è rivolto alla memoria, oppure IOR (I/O Read) o IOW (I/O Write) per indicare che l'indirizzo è destinato ad un dispositivo di Input / Output.

I segnali IOR, MEMR, ecc.. sono trasportati su un gruppo di linee denominato Control Bus. A differenza del data bus e dell'address bus, i bit presenti su queste linee hanno ciascuno un significato indipendente dagli altri, e agiscono separatamente l'uno dall'altro.

Il microprocessore supervisiona le operazioni di trasferimento.

Quindi si dice che l'operazione è di input se il trasferimento dati avviene dal dispositivo alla CPU, si dice di output se il un trasferimento dati avviene dalla CPU al dispositivo.

Control bus.

Tra le linee del bus di controllo vi sono le richieste di interruzione emesse dai dispositivi di I/O per chiedere al microprocessore di sospendere l'attività in corso e gestire un trasferimento di dati.

Il microprocessore viene avvertito della richiesta perchè il dispositivo attiva la linea INTR del microprocessore (Interrupt Request, richiesta di interruzione dell'attività dei microprocessore), La CPU segnala la sua disponibilità a gestire il trasferimento, attivando verso il dispositivo, la linea INTA (Interrupt Acknowledge, riconoscimento dell'interruzione).

In un sistema ci sono più unità periferiche indipendenti che possono interagire con il microprocessore per stabilire una comunicazione. Questo impone che ogni periferica possa essere identificata in modo diverso per essere univocamente riconosciuta dal microprocessore.

Il procedimento per avviare un trasferimento dati tra CPU e periferica è così riepilogato:

Bus standard e bus ISA

I sistemi di elaborazione dispongono di uno o più slot di espansione, che sono dei connettori collegati al bus, nei quali vengono inserite le schede di interfaccia.

Una scheda di interfaccia per una periferica, inserita nello slot si collega elettricamente ai bus e diventa parte del sistema.

La velocità con cui le informazioni sono trasferite dipende dalla frequenza di funzionamento del bus. Se un bus lavora con frequenza di 10 MHz e trasferisce dati a 8 bit, la velocità di trasferimento dei dati nel sistema è V = 8*106 =80Mbps, cioè 8 bit per ogni periodo di clock.

II primo bus utilizzato nei personal computer fu il bus ISA (Industry Standard Architecture)

Inizialmente il bus trasportava solo 8 bit del bus dati, 10 bit del bus indirizzi ed alcuni bit del bus di controllo, fu poi potenziato, aggiungendo uno slot di prolungamento, per portare altri 8 bit del bus dati, assumendo il nome EISA (Extended ISA).

Con la sigla ISA Ci si riferisce agli slot di espansione, a 8, a 16 o a 32 bit.

Uno slot a 16 bit, in realtà, è costituito da due slot distinti adiacenti, montati in modo da poter accogliere una singola scheda a 16 bit.

La frequenza di lavoro per questo bus è 8 MHZ.

Bus locali e bus VESA

I primi elaboratori usavano applicazioni basate su un interfaccia a carattere. Applicazioni più sofisticate richiedevano anche la gestione di elementi grafici, che non era possibile rappresentare, ben presto, quindi il computer venne dotato di un'interfaccia grafica.

Le applicazioni che usano elementi grafici richiedono lo scambio di un'elevata quantità di informazioni tra microprocessore, video, memoria e hard disk, in confronto ad applicazioni basate solo su caratteri.

Uno schermo standard è formato da 25 righe di 80 colonne ciascuna, quindi può ospitare 2000 byte di informazioni. Un schermo standard in modalità grafica è formato da 480 righe di 640 pixel ciascuno. Se ad ogni pixel si associa una locazione di memoria per codificare il colore del pixel, ogni pixel può assumere fino a 256 colori, quindi richiede una capacità di memoria di 307.200 byte. Gli schermi ad altissima risoluzione (1600x1200), che usano 3 byte per ogni pixel, per rappresentare fino a 16 milioni di colori, richiedono una memoria di 5,8 milioni di byte.

Si tenga presente che non è possibile installare 5,8 MB, perchè i componenti dispongono di una capacità di memoria che è una potenza di 2, quindi, in questo caso, sulla scheda video occorre installare una quantità di memoria di 8 MB.

Si richiede, quindi, una notevole quantità di memoria sia per l'esecuzione del software che gestisce gli elementi grafici, sia per la memorizzazione dei dati. Pertanto, dal punto dì vista dell'I/0, c'era bisogno di una maggiore larghezza di banda per gestire l'incremento notevole di informazioni che si dovevano trasmettere.

Il bus ISA aveva una frequenza bassa, per cui era il collo di bottiglia del sistema che impediva l'incremento delle prestazioni del sistema. Si giunse quindi alla creazione di un nuovo bus più veloce per incrementare solamente le prestazioni nel trasferimento di informazioni tra video e processore: il bus locale o local bus.

Il primo bus locale fu VESA (Video Electronics Standard Association), chiamato anche VL-Bus o VLB per brevità.

Il VLB è un bus con un parallelismo a 32 bit e con una frequenza di 33,3 MHZ, per cui si ha una larghezza di banda pari 127,02 MBps (Megabyte al secondo).

La larghezza. di banda si calcola con la seguente formula:

Larghezza di banda = Frequenza di trasferimento sul bus * numero di bit del dato trasferito

Per esempio, con una frequenza di 33,3 MHZ e un dato di 32 bit, si ottiene:

Larghezza di banda = 33,3*32/8 = 133,2*106 byte

L'uso della scheda video su VLB aumenta notevolmente le prestazioni del sistema Uno Slot VLB è uno slot ISA a 16 bit con altri due connettori aggiunti alla fine dello slot ISA. Poichè il VLB è un'estensione del bus ISA, una scheda ISA può essere usata in uno slot VLB.

Uno dei motivi per cui il VLB è stato abbandonato è che questo non era adatto alla tecnica Plug and Play.

Plug and Play

I personal computer hanno la caratteristica di essere sistemi aperti, ovvero lo standard è di pubblico dominio, per cui qualunque produttore di hardware può realizzare schede per i personal computer.

Per identificare univocamente una scheda all'interno di un personal computer, il microprocessore deve conoscere 2 parametri:

L'indirizzo dell'interfaccia, cioè come raggiungere la scheda.

Il numero di interrupt, cioè quale linea deve utilizzare la periferica per chiedere al microprocessore di trasmettere o ricevere informazioni.

Le schede per il bus ISA contenevano dei ponticelli (jumper) o dei microswitch per impostare manualmente i parametri. L'impostazione dei parametri era a carico dell'utente, il quale doveva sceglierli tra quelli non utilizzati dalle altre schede già installate. Bisognava conoscere bene la configurazione della macchina per evitare conflitti.

A partire da Windows95 la convergenza tra costruttori di hardware e produttori di software ha reso disponibili le schede Plug and Play (PnP), letteralmente connetti e fai funzionare, in grado di dialogare direttamente con il sistema operativo, il quale, conoscendo la configurazione hardware della macchina, assegna in automatico i parametri tra quelli disponibili.

Se il computer contiene solo schede PnP, non si ha alcun di conflitto fra schede. Se invece ci sono anche schede ISA, c'è il rischio di conflitto. In questo caso il lavoro di inserimento è duplice, perchè bisogna sia settare la scheda, sia riservare da BIOS o dal sistema operativo le risorse da assegnare alle schede non PnP, in modo che il sistema operativo non le assegni, in seguito, alle schede PnP.

Quindi Plug and Play significa che la scheda e il sistema operativo comunicano tra loro e il sistema operativo è in grado di settare la scheda senza l'intervento dell'utente. L'utente deve solo preoccuparsi di aprire il computer e inserire la scheda nel primo slot libero della scheda madre. è buona norma seguire una sequenza corretta di azioni: spegnere il computer, inserire la scheda, far ripartire il computer, installare i driver e riavviare il computer. Il riavvio è necessario perchè solo in questa fase i driver della scheda vengono caricati in memoria e collegati al tipo di interrupt emesso dalla periferica.

Bus PCI

Il bus PCI (Peripheral Component Interconnect), sviluppato da intel, è il bus attualmente più diffuso: è un bus a 32 bit, inizialmente, con una frequenza di 33 MHz. A differenza del VLB, supporta il bus mastering: il controllo dei bus per il trasferimento dell'informazione per l'Input/Output non è controllato dal microprocessore, ma da uno speciale circuito, detto chipset, che è un insieme di circuiti per gestire il bus e garantire che tutti i dispositivi possano dialogare tra loro.

II bus PCI ha consentito la realizzazione della tecnologia PnP mentre il VLB era semplicemente un'estensione del bus del microprocessore. Inoltre con il bus PCI si possono connettere diversi tipi di periferiche e non solo il video, come accadeva per VLB. Esiste anche una versione PCI a 64 bit con una frequenza del bus a 66 MHz.

II bus PCI nel tempo ha avuto delle evoluzioni per poter soddisfare la richiesta di una maggiore banda da parte delle nuove applicazioni. L'evoluzione è andata sia verso l'aumento del parallelismo del bus passando da 32 bit a 64 bit sia verso l'aumento della frequenza di clock che è passata dagli originari 33MHz agli attuali 133 MHz. Ciò giustifica le varie versioni del bus PCI riassumibili nella seguente tabella.

Frequenza sul bus Parallelismo del bus a 32- bit Parallelismo del bus a 64-bit
33 MHz PCI 133 MBps 266 MBps
66 MHz PCI 266 MBps 532 MBps
100 MHz PCI-X non esiste 800 MBps
133 MHz PCI-X non esiste 1 GBps

Non sono previsti ulteriori incrementi della banda, perchè praticamente sono stati raggiunti i limiti fisici conseguenti all'elevato livello di parallelismo che, alle alte frequenze, provoca fenomeni di cross talk (interferenza) non trascurabili, oltre ad un ritardo di propagazione dei segnali.

Alle alte frequenze i segnali che trasportano l'informazione su linee parallele, anche se partono nello stesso istante, a causa di qualche imperfezione dei cavi, non arrivano contemporaneamente, ma con un ritardo che induce all'errore quando i segnali vengono campionati.

Inoltre il bus condiviso comporta un impedimento alla scalabilità, perchè le schede devono stare sempre in ascolto sul bus con conseguente aumento del rumore; questo limita il numero di periferiche collegabili: il limite per questo bus è di 5 schede.

L'arbitraggio del bus è di tipo centralizzato: ogni interfaccia chiede all'host il controllo del bus attivando il segnale di bus request, mentre I'host concede il controllo del bus attivando il segnale bus grant (concesso). Con host si intende il sistema che interconnette il bus PCI al chipset del sistema.

Grazie alla funzionalità del Plug and Play, I'host riconosce ed assegna le risorse ai dispostivi PCl e arbitra l'accesso condiviso al bus. Quando un dispositivo ottiene il controllo del bus, diventa bus master, cioè può dialogare con la CPU o la memoria attraverso il chipset. L'arbitraggio centralizzato del bus adoperato da PCI non permette di definire livelli di priorità, per questo non è in grado di fornire un QoS (Quality of Service), cioè la facoltà di assegnare la banda in un determinato momento ad una scheda- La mancanza di questa funzionalità impedisce lo sviluppo di applicazioni in tempo reale, come audio-video streaming e Audio-video editing.

In sostituzione del bus PCI si è consolidato il bus PCI-express.

Porta AGP

Il bisogno di aumentare la larghezza di banda tra il microprocessore e il sottosistema video ha portato a sviluppare il port AGP (Accelerated Graphics Port): non si chiama bus, ma port perchè coinvolge solamente due unità, il video e il microprocessore, e non è espandibile, mentre il bus normalmente coinvolge più unità ed è espandibile. L'obiettivo è supportare lo sviluppo di applicazioni grafiche 3D e applicazioni video in movimento dove la quantità di informazioni da scambiare tra video e microprocessore è molto più elevata rispetto alle applicazioni informatiche tradizionali.

Con AGP è stata creata un'interfaccia più veloce tra il chipset del video e il microprocessore, rendendo più semplice l'implementazione del port e più facile l'aumento della velocità.

La versione base AGPx1 ha un bus a 32 bit e a 66 MHz, collegato punto-punto con il chipset, per cui l'ampiezza di banda disponibile è di 266 MBps. La tendenza è quella di sostituire le schede grafiche AGP con le schede PCI-Express.

PCI-Express

PCI-Express (indicato solitamente con PCI-e) definisce le caratteristiche elettriche, le caratteristiche meccaniche, la topologia e i protocolli per implementare e gestire una modalità di collegamento punto-punto mediante cavi in rame o in fibra ottica tra due dispositivi.

Inizialmente sviluppato da Intel con la sigla 3GI0 (Third-generatin Input-Output), è stato poi rinominato PCI-express ed e diventato uno standard aperto, cioè le specifiche sono di dominio pubblico e di conseguenza qualsiasi azienda può produrre schede PCI-Express.

PCI-Express presenta i seguenti vantaggi rispetto a PCI.

Il PCI bus definisce tre tipi di spazi di indirizzi, quello di memoria, quello di I/O ed un ulteriore spazio usato per mantenere le informazioni di configurazione. Ogni dispositivo PCI possiede un'area di memoria di 256 byte, riservata a mantenere le caratteristiche del dispositivo (per esempio scheda di rete, controller del disco, …). Durante la fase di avvio, il sistema operativo scandisce l'area di configurazione per ogni dispositivo PCI ed assegna a ciascuno di essi un indirizzo univoco e un numero di interruzione. PCI multiplexa sullo stesso bus sia gli indirizzi che i dati. Cioè gli stessi fili trasportano segnali di significato diverso in momenti successivi. Una linea aggiuntiva indica se sul bus sono disponibili indirizzi o dati. Il multiplexing consente alle schede PCI di essere dotate di un connettore con un basso numero di piedini.

FSB, frequenza e velocità di trasferimento

Il Front Side Bus, abbreviato in FSB, è il canale che collega processore e memoria tramite il chipset e sul quale transitano i dati che le due parti si scambiano. La sigla FSB è accompagnata da un numero, espresso in MHz, che corrisponde alla velocità di trasferimento dei dati del bus.

La velocità di trasferimento è la quantità di informazioni trasmessa in un dato periodo di tempo. La frequenza di funzionamento, in un'apparecchiatura elettronica, è il numero di impulsi al secondo, generato da un apposito circuito denominato oscillatore, che stabilisce la velocità di un componente.

Con l'impiego di particolari tecniche è possibile trasmettere più informazioni a ogni impulso. Per esempio il Pentium 4 2.40B ha un bus che funziona effettivamente a 133 MHz. Come si arriva ai 533 MHz dichiarati di FSB?

Il trucco è nella tecnologia Quad Pump di Intel, la quale a ogni ciclo di clock invia quattro bit di dati, moltiplicando 4 (bit) per 133 (MHz) si ottiene la velocità di trasferimento di 533 MHz (valore arrotondato). Anche i processori Intel con FSB a 800 MHz utilizzano la tecnologia Quad Pump ma con una frequenza del bus di 200 MHz (4 bit moltiplicato 200 MHz = 800 MHz). La frequenza di funzionamento interno di un processore è ottenuta moltiplicando la velocità del suo bus per un fattore numerico. Il bus del Pentium 4 2.40B funziona a 133 MHz, un circuito interno alla CPU moltiplica questa frequenza per 18, portandola a 2.394 MHz arrotondati a 2,4 GHz. Per il Pentium 4 2.40C con bus a 200 MHz il fattore di moltiplicazione è 12.

I bus FSB e del processore sono indipendenti, ciò permette di utilizzare CPU con FSB a 533 MHz in configurazioni con memorie DDR 333 o 400, o altre combinazioni di CPU e memorie. Naturalmente la condizione migliore di funzionamento si verifica quando c'è una corrispondenza di specifiche tra queste due parti, come accade con i Pentium 4 FSB 800 su piattaforme a doppio canale con DDR 400. L'FSB del Pentium 4 può trasferire sino a 6,4 GB/sec (800 MHz per 8 byte, l'ampiezza del bus di memoria), le DDR 400 in doppio canale raggiungono la stessa velocità (400 MHz moltiplicato 16 byte, la dimensione del bus raddoppia perchè i dati sono indirizzati a due banchi contemporaneamente).

Parametri di prestazione di una CPU

Riassumendo, questi sono i quattro principali termini di raffronto per valutare i microprocessori sul mercato

Il chipset

Tutte le potenzialità che una scheda madre può esprimere sono legate al chipset, formato da una serie di integrati che controllano tutte le funzioni: senza di loro una scheda madre sarebbe inutilizzabile. Un problema o limitazione sul chipset si ripercuote su tutto il computer. Qualche produttore sostiene che la scheda madre è il chipset stesso e che per conoscerne le potenzialità basta sapere le caratteristiche di quello installato.

Che cosa fa esattamente un chipset? Controlla tutti i flussi di informazioni che avvengono tra i diversi elementi collegati alla scheda madre. Controlla tutti i canali di comunicazione, detti anche bus. I bus di comunicazione più importanti sono:

FSB (Front Side Bus)- Il canale di comunicazione tra i componenti Northbridge del chipset e il processore.

Bus della memoria - Il canale di comunicazione tra il chipset e la memoria RAM.

AGP(Accelerated Graphic Port)-Il canale di comunicazione tra il chipset e lo slot video AGP. Questo tipo di bus sta gradualmente sparendo, sostituito da PCI Express.

PCI (Peripheral Component Interconnect)- Il canale di comunicazione tra il chipset e gli slot PCI. Praticamente tutte le schede di espansione sono installate negli slot PCI, incluse le schede di rete e le schede dei sintonizzatori TV. Le uniche schede che non sono installate in questi slot sono le schede video, dato che per loro è stato previsto uno slot dedicato, l'AGP appunto.

Come per lo slot AGP, anche gli slot PCI stanno gradualmente lasciando il passo al più moderno slot PCI Express. PCI Express - Il canale di comunicazione tra il chipset e gli slot PCI Express. Possono esserci due tipi di bus PCI Express secondo l'ampiezza di banda che consentono. Tipicamente la scheda madre ha un bus 16x dedicato alla scheda video e uno o più bus a velocità normale per le altre schede di espansione.

IDE (Integrated Drive Electronics)- Il canale di comunicazione tra il chipset e i dispositivi di memoria di massa, come dischi rigidi e lettori ottici.

SATA (Serial Advanced Technology Attachment)-Il canale tra il chipset e i dispositivi di memorizzazione più moderni. Questo bus sostituirà completamente IDE in un breve periodo di tempo.

Ci sono anche bus di minore importanza, come quelli che controllano il lettore floppy, la porta parallela, le porte seriali, le porte USB, le porte FireWire, le porte audio e così via.

Larghezze di banda dei diversi bus

I bus hanno differente velocità e "ampiezza". Ad esempio il bus AGP standard (1x) ha una frequenza di 66.6 MHz: in un secondo possono passare 66 milioni di bit tra il chipset e la scheda video attraverso il bus AGP. Il bus AGP ha una ampiezza di 32 bit, quindi il numero totale di bit al secondo è 32 volte il valore appena menzionato. La velocità totale di un bus non è data solo dalla sua frequenza, ma anche dalla sua ampiezza. Questo dato è più comunemente noto come larghezza di banda. Nell'esempio 32 bit e quindi 4 byte, passano attraverso il bus AGP 66 milioni di volte al secondo: si ottiene una larghezza di banda di 266 milioni di byte al secondo, indicato spesso nella forma 266 MB/s.

Il bus AGP può essere spinto fino ad un'accelerazione pari a 8 volte questa velocità, con una larghezza di banda di circa 2 GB/s. Questa è una velocità utile per i giochi su un computer.

Il bus PCI ha una velocità massima di soli 133 MB/s, sufficiente per quasi tutte le applicazioni, ma insufficiente per le applicazioni video 3D.

Se si considera la larghezza di banda del Front Side Bus di un Pentium 4 con capacità di 64 bit e frequenza di 800 MHz, si ottiene una larghezza di banda di 6400 MB/s. In pratica è come scrivere più di un DVD pieno di dati ogni secondo.

Alcuni bus sono strutturati in modo da trasferire i dati più volte per ogni ciclo, ad esempio due, quattro o otto volte che equivale a raddoppiare, quadruplicare ottuplicare la larghezza di banda a disposizione. Il nuovo bus PCI Express è dotato di diversi canali paralleli ed è capace di trasferire i dati in diversi processi simultanei.

Architettura del chipset

Da sottolineare che Intel chiama il chipset Northbridge con il nome "Memory Controller Hub" e il southbridge "I/O controller Hub" . AMD, concorrente diretto di Intel, chiama il Northbridge "System Controller" e il Southbridge "Peripheral Bus Controller". Un fatto importante è che i processori AMD Athlon 64 incorporano al loro interno il controller della memoria, relegando il chip Northbridge a compiti meno pesanti.

Memoria Ram

La RAM è la memoria volatile del computer in cui risiedono i dati utilizzati durante il normale utilizzo del software. Quanto più è grande la memoria Ram di un computer tanto più saranno veloci i software installati, i quali non dovranno memorizzare i dati temporanei su disco fisso. Essendo una memoria volatile il contenuto della Ram è temporaneo e si resetta ad ogni nuova accensione del computer.

Le memorie SDRAM (synchronous dinamic ram) vengono catalogate a seconda della loro velocità e per esempio una SDRAM PC 133 supporta 133 MHz come anche frequenze più basse di 100 o 66 MHz. Con un funzionamento a 100 MHz il tempo di accesso è di 10 nanosecondi.

La tecnologia Double Data Rate (DDR) permette una doppia trasmissione dei dati per ogni ciclo di clock. Quindi le SDRAM DDR con un clock di 200 MHz hanno un tasso di trasferimento di 400 MHz e vengono chiamate DDR 400. Il nome convenzionale per i moduli è dato dalla loro banda; considerato un parallelismo di 64 bit (8 byte) per trasferimento si ottiene una banda di 400*8=3200 MB/s, da cui deriva il nome PC3200 da 512, 1024, 2048 MB.

Dopo la tecnologia DDR è arrivata la tecnologia DDR2 Dual Double Data Rate (successivamente DDR3) in moduli a 240 pin al posto dei moduli da 184 pin chiamati DIMM (Dual InLine Memory Module