Chipsatz & Bus-Systeme

CHIPSATZ UND BUS-SYSTEME VERÄNDERN SICH RASANT: Der Speicher-Controller wandert in die CPU, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie Hypertransport lösen den Front Side Bus ab, serielle Datenleitungen treten das Erbe der parallelen Schnittstelle an. Das zeigt sich etwa an der technischen Weiterentwicklung der Grafik-Schnittstellen (AGP, PCI-Express 1.1 oder 2.0), der Prozessor-Baureihen (AMD oder Intel, Ein-, Zwei- oder Vierkern-CPU) sowie von Speichertyp und -takt.

Im ersten Teil dieses Ratgebers gehen wir auf den Chipsatz und dessen Funktionseinheiten North- und Southbrigde ein. Zudem beleuchten wir die Funktionsweise der angeschlossenen Bus-Systeme. Teil 2 beschreibt eine gänzlich andere Form der Datenleitung: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wie AGP, Hypertransport, PCI Express und Quickpath.

Chipsatz

Der Chipsatz auf der Hauptplatine ist die Kommunikationszentrale des PCs. Er steuert und reguliert den Datenaustausch aller Hardware-Komponenten untereinander. Dabei übersetzt er die unterschiedlichen Busprotokolle und synchronisiert die mannigfachen Taktfrequenzen und Spannungspegel aller Datenleitungen. Über das Bios haben Sie Zugriff auf zahlreiche Parameter des Chipsatzes. So können Sie etwa Funktionen ein- und ausschalten sowie die Busfrequenzen erhöhen oder reduzieren. Zu den wichtigsten Chipsatz-Herstellern gehören Intel, AMD, Nvidia, SIS und VIA.

Funktionsweise

Der Chipsatz setzt sich aus zwei zentralen Halbleiterbausteinen zusammen, die man aufgrund ihrer geografischen Lage im Blockschaltbild (siehe Abbildung) als North- und Southbridge bezeichnet. Die ursprünglich von Intel eingeführte Unterscheidung zwischen North- und Southbridge hat der Halbleiterriese aber seit der 800er-Chipsatzfamilie durch die Begriffe Memory Controller Hub (MCH) und I/O (Input/Output) Controller Hub (ICH) ersetzt.

Früher nutzten North- und Southbridge für den Datenaustausch den PCI-Bus, mittlerweile überwiegen jedoch bei den klassischen Chipsatz-Architekturen für Intel-Prozessoren proprietäre Datenleitungen wie Intels Direct Media Interface (DMI), Mutiol von SIS und V-Link von VIA. Chipsätze für AMDs Athlon-64-(X2/FX)- und Phenom-Prozessor-Baureihe verwenden für die Kommunikation zwischen North- und Southbridge den freien Industriestandard Hypertransport .

Zwei Tendenzen lassen sich bei Chipsätzen ausmachen: Die Northbridge verliert Funktionseinheiten zugunsten einer schnelleren beziehungsweise direkten Datenweiterleitung, während die Southbridge zusätzliche Aufgaben übernimmt, für die früher spezialisierte Halbleiterbausteine zuständig waren.

Alle Komponenten, die große Datenmengen schnell verarbeiten und verschicken müssen, verbindet die Northbridge miteinander. Dazu gehören die CPU, der Arbeitsspeicher, die Grafikkarte und natürlich die Southbridge. Da bei fast allen Kommunikationsprozessen der Prozessor beteiligt ist, befindet sich die Northbridge sehr nah am CPU-Steckplatz, um die Datenleitungen kurz zu halten.

Bei klassischen PC-Chipsätzen sind der Prozessor und der Arbeitsspeicher über den Front Side Bus (FSB) an die Northbridge angebunden, AMD-Prozessoren nutzen seit der Athlon-64-Baureihe statt des FSB einen Hypertransport-Link mit Referenztakt. Dabei wandert bei AMD auch der Speicher-Controller von der Northbridge in den Prozessor. CPU und Speicher können so ohne Umweg über die Northbridge direkt Daten schneller miteinander austauschen.

Die Grafikanbindung ist ebenfalls direkt in der Northbridge enthalten, entweder als AGP- oder PCI-Express-Datenleitungen. Bei integrierten Grafiklösungen, wie sie häufig in Notebooks und besonders preiswerten PCs vorkommen, ist der Grafikkern, also die Graphics Processing Unit (GPU), komplett in der Northbridge integriert.

Southbridge

Funktionseinheiten mit geringerem Datenaufkommen sind an die Southbridge angeschlossen. Dazu gehört mit Ausnahme des Bildschirms die komplette Peripherie – etwa Tastatur, Maus, Drucker und Scanner – sowie Festplatten, Laufwerke und der Bios-Chip. Hinzu kommen PCI-Datenleitungen zur Anbindung von Steckplätzen für Erweiterungskarten wie beispielsweise Raid-Controller. Dabei steigt der Integrationsgrad der Southbridge kontinuierlich: Moderne Varianten enthalten mittlerweile neben der ISA-Bridge (Industry Standard Architecture) sowie dem Festplatten-, Raid- und USB-Controller häufig auch den Audio- und Netzwerk-Chip. Eine Sonderstellung nimmt die Chipsatz-Baureihe Nforce 4 ein, bei der Nvidia die Southbridge einiger Varianten kurzerhand in die Northbridge verfrachtet hat und so mit einem einzigen Halbleiterbaustein auskommt.

Bus-Systeme

In der PC-Technik bezeichnet der Begriff Bus (Bidirectional Universal Switch) eine Verbindung, über die Hardware-Komponenten Daten austauschen. Im Gegensatz zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen kann ein Sender die Datenleitungen des Busses für mehr als einen Empfänger nutzen. Oder anders ausgedrückt: Über ein Bus-System können mehr als zwei Geräte gleichzeitig Daten austauschen. Moderne USB-Controller steuern beispielsweise über ihren Bus den Datentransfer von bis zu 12 USB-Geräten. Ein Bus überträgt Daten entweder auf parallelem oder seriellem Weg, wobei der Trend bei Bus-Systemen hin zum seriellen Transport geht.

Zu den wichtigen parallelen Bussen im PC zählen der Front Side Bus (FSB), die Integrated Drive Electronics (IDE) sowie der Line Printing Terminal (LPT). Allerdings verwenden nur noch Intel- und VIA-Prozessoren den FSB als Schnittstelle zwischen CPU und Northbridge, bei AMD hat ihn die Punkt-zu-Punkt-Verbindung Hypertransport abgelöst. Da sich der FSB bei Mehrkern-Prozessoren aber zunehmend als Nadelöhr entpuppt, will auch Intel ihn bei der nächsten Prozessorgeneration durch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung ersetzen – sie heißt Quickpath.

Die IDE-Schnittstelle ist ebenfalls auf dem Rückzug. Intel etwa hat mit der Southbridge ICH8 den IDE-Controller ausgemustert. Dass Hauptplatinen-Hersteller ihren Modellen mit ICH8 und ICH9 einen extra IDE-Controllerchip spendieren, ist als Zugeständnis an die optischen Laufwerke anzusehen – für Festplatten ist die serielle Schnittstelle SATA erste Wahl. Und der LPT ist bei vielen modernen PCs gar nicht mehr vorhanden, da Drucker und Scanner heutzutage über die USB-Schnittstelle mit dem Rechner Daten austauschen.

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Der Grund für das Aussterben der parallelen Busse ist ihre Funktionsweise, die nicht mehr Schritt halten kann mit der rapide ansteigenden Datenmenge, die in einem modernen PC durch die Leitungen rauscht. Wie der Name schon andeutet, erfolgt die Datenübertragung parallel über mehrere Leitungen gleichzeitig.

Beispiel: Eine IDE-Festplatte (Sender) verschickt über acht Leitungen jeweils ein Bit und meldet über eine zusätzliche Steuerleitung dem Festplatten-Controller in der Southbridge (Empfänger), dass er ein gültiges Byte gesendet hat. Jetzt setzt der Empfänger die acht Bits zu einem gültigen Byte zusammen und bestätigt dem Sender über eine weitere Steuerleitung, dass das erste Byte angekommen ist. Erst nach diesem auch “Handshake” genannten Protokoll kann der Sender das nächste Byte auf die Reise schicken. Der Datendurchsatz über diese acht Leitungen lässt sich natürlich durch eine höhere Taktfrequenz steigern. Diese hat aber eine physikalische Grenze: Einerseits reicht die Zeitspanne ab einer gewissen Frequenz nicht mehr für einen verzögerungsfreien Handshake. Anderseits lässt sich die Bus-Taktrate nicht beliebig steigern, da bei höheren Taktraten Störfrequenzen auftreten, die die Datensignale verfälschen. Die Störfrequenzen sind auch ein Grund dafür, warum sich die Anzahl der parallelen Leitungen nicht beliebig erhöhen lässt, um über diesen Weg den Datendurchsatz zu erhöhen: So dient beispielsweise bei der letzten Generation der 80-poligen IDE-Flachbandkabel die Hälfte aller Leitungen als Masseleiter, um Störimpulse abzuschirmen.

Serielle Busse

Fast alle modernen Bus-Systeme im PC transportieren die Daten auf seriellem Wege. In diese Kategorie fallen beispielsweise Firewire, SATA und USB. Bei der seriellen Übertragung zerlegt der Sender ein Datenpaket in einzelne Bits und versieht Anfang und Ende des Pakets mit Start- und Stopp-Bits. In die Start-Bits schreibt der Sender noch die Empfängeradresse, dann schickt er alle Bits des Datenpakets im Gänsemarsch nacheinander über eine einzige Leitung. Alle Geräte, die an diesem Bus hängen, lesen die Empfängeradresse. Ist das Datenpaket nicht für sie bestimmt, ignorieren sie die Sendung. Nur der Empfänger nimmt das Paket auf, sucht die Start-Bits und setzt die folgenden Bits zu einem Datenpaket zusammen, bis die Stopp-Bits erreicht sind.

Diese Art der Datenübertragung hat mehrere Vorteile: Die beteiligte Hardware braucht nur einen Ausgangstreiber und einen Empfangsbaustein. Das spart bei der Steuerung und Adressierung der Daten Bandbreite. Und da der Sender die Bits nacheinander überträgt, kann kein Bit ein anderes überholen, wie das etwa bei parallelen Bus-Systemen der Fall ist. Dadurch sparen sich Sender und Empfänger den Handshake.