Компютърна система с процесор Intel Pentium ІІІ

На фиг. 1 е показана блок-схемата на компютърна система с процесор Pentium ІІІ 1.4 GHz.

Първите Pentium ІІІ процесори се правят в SECC2 формат. Монтирането на процесора на дъното се извършва чрез слот, наречен Slot 1. По-късно Slot 1 е изоставен в полза на цокъла Socket 370.

Другата съществена новост при системите с Pentium ІІІ е въвеждането на хъбовата архитектура вместо използваната дотогава архитектура „северен-южен мост”. При нея главната връзка между двата компонента на чипсета не е PCI шината, а отделен хъбов интерфейс с пропускателна способност 266MBps. Шината PCI се свързва към хъба на входно-изходния контролер и обслужва единствено PCI устройствата. Поради това, че шината PCI не изпълнява други функции, се повишава реалната производителност на обслужваните от нея устройства.

Супер I/O чипа не се свързва вече чрез ISA шината, а чрез специално създадената за целта LPC шина. В някои системи супер I/O чипът е елиминиран, като по този начин отпадат т. нар. остарели (legacy) портове (PS/2, флопи, COM1, COM2, LPT), а устройствата, които биха използвали тези портове, използват USB. Flash ROM чипа вече се нарича хъб за фърмуер и също се свързва чрез LPC шина.

фиг. 1 Блок-схема на компютърна система с процесор Pentium ІІI

В сравнение с компютърните системи с Pentium MMX и Pentium ІІ и се забелязва различие в разположението на L2 кеша. Докато при Pentium MMX L2 кеш паметта е монтирана на дънната платка и работи на честотата на системната шина, а при Pentium ІІ вторичната кеш памет е монтирана на платката на SEC модула и работи на 1/2 от честотата на процесора, то при Pentium ІIІ L2 кеш паметта е вградена в процесора и работи на процесорната честота, както при Pentium Pro.

Тактовата честота на процесорната шина е увеличена от 66 или 100 MHz (използвана в системите с Pentium ІI и ранните системи с Pentium ІІI) на 133 MHz, позволявайки пропускателна способност от 1066 МВ/сек. За съгласуване с тази пропускателна способност, в по-новите системи с Pentium III се използват PC 133 SDRAM DIMM модули, които имат честота 133 MHz, а пропускателната способност на шината на паметта е увеличена на 1066 МВ/сек. В някои системи с Pentium III (чипсети 820 и 840) се използва памет RDRAM.

При Pentium IIІ системите продължава поддръжката на ускорения графичен порт AGP (Accelerated Graphics Port), но с AGP 4х, която работи 4 пъти по-бързо от стандартната AGP шина (като прехвърля 4 пъти данни на 1 такт), позволявайки пропускателна способност от 1066 МВ/сек (за сравнение Pentium II и ранните Pentium III системи обикновено използват AGP 2х, която прехвърля 2 пъти данни на 1 такт, позволявайки пропускателна способност от 533 МВ/сек). По този начин производителността на видеосистемата е съгласувана с производителността на процесора и паметта.

Има известна промяна и в южния мост. Поддържат се по-бързи твърди дискове АТА-66 или АТА-100 със скорост на трансфер съответно 66,67 MB/s и 100 MB/s.

В някои от по-новите системи в южния мост се вграждат два USB контролера, позволяващи поддръжка на 4 USB порта.

Чипсетите за компютърни системи с процесор Intel Pentium ІІI са от серията 800. В сравнение с предишните конструкции на базата на северен/южен мост, при тези чипсети има някои доста значителни разлики.

Най-съществената разлика е използването на хъбова архитектура. При нея свързването на северния мост (наречен контролер на паметта) с южния (наречен хъб на контролера за вход и изход) е чрез специализиран 66 MHz интерфейс, наречен шина с ускорена хъбова архитектура (accelerated hub architecture - AHA), а не през PCI шината.

Другата характерна особеност е че в част от версиите на серията 800хх видео графичният контролер е интегриран директно в хъба на контролера на паметта (Graphics Memory Controller Hub-GMCH). Това означава, че тези системи нямат AGP слот и не могат да използват традиционни AGP видеокарти, т.е. няма възможност за ъпгрейд.

Чипсетите от фамилията 810 имат следните характеристики:

• 
  66/100/133 MHz системна шина;
  
• 
  Интегрирана AGP2x 3D графика (на Intel);
  
• 
  Ефикасно използване на системната памет за добра графична производителност;
  
• 
  Опционална 4MB специализирана видео памет за дисплеен кеш;
  
• 
  Порт за цифров видео изход (Digital Video Out), съвместим с DVI спецификацията за дисплеи с плоски панели;
  
• 
  Софтуерно MPEG-2 DVD възпроизвеждане с хардуерна компенсация на движението;
  
• 
  Хъбов интерфейс с пропускателна способност 266MB/сек.;
  
• 
  Поддръжка на ATA-66;
  
• 
  Интегриран AC’97 контролер (аудио кодек) за звук;
  
• 
  Поддръжка на енергоспестяващи режими на работа (ACPI);;
  
• 
  Генератор на случайни числа (Random number generator-RNG) – използва топлинен шум, влияещ на резистор, като генерира истински непредсказуеми случайни числа;
  
• 
  Интегриран USB контролер;
  
• 
  LPC шина за връзка със Super I/O и хъба за фърмуер (системния ROM BIOS);
  
• 
  Емулация за ISA шина.
  

Представени през юни 2000 година, чипсетите 815 и 815Е станаха масово използвани, тъй като включват интегрирано видео, което може да се ъпгрейдва с помощта на AGP 4x слот. Версията 815ЕР е представена по-късно; при нея липсва интегрираното видео с цел чипсетът да бъде по-евтин. 815 чипсетите са предназначени за Slot 1 или Socket 370 процесори, каквито са Celeron и Pentium ІІІ. Това са първите чипсети на Intel, проектирани директно да поддържат РС133 SDRAM памет, позволявайки по-достъпни решения спрямо чипсетите, използващи RDRAM памет. Въпреки че съществуват три варианта на чипсета 815-обикновения 815, 815Е и 815ЕР-единствените разлики между тях са в използвания хъб на контролера за вход/изход (ICH или ICH2) и дали главният чип включва интегрирано графично ядро. Когато GMCH чипът 82815 се комбинира с ICH2 чипа 82801ВА, резултатът е 815Е.

Всички 815 чипсети поддържат:

• 
  66/100/133MHz системна шина;
  
• 
  266МВ/сек. хъбов интерфейс;
  
• 
  АТА-100(815Е/ЕР) или АТА-66(815);
  
• 
  РС100 или РС133 CL-2 SDRAM;
  
• 
  До 512МВ RAM;
  
• 
  Интегриран Audio-codec 97 ( АС97) контролер;
  
• 
  Енергоспестяващи режими на работа;
  
• 
  Генератор на случайни числа за продукти с повишена сигурност;
  
• 
  Един (815) или два(815Е/ЕР) интегрирани USB контролера,съответно с два или с четири порта;
  
• 
  LPC шина за връзка с Super I/O и хъба за фърмуер (ROM BIOS);
  
• 
  Елиминиране на ISA шината.
  

Основни характеристики:

• 
  100/133MHz процесорна шина;
  
• 
  Хъбов интерфейс с капацитет 266MB/s;
  
• 
  Поддръжка на PC800 RDRAM RIMM памет;
  
• 
  Поддръжка на AGP 4x;
  
• 
  ATA-100(820E) или ATA-66 интерфейс;
  
• 
  Генератор на случайни числа;
  
• 
  LPC интерфейс;
  
• 
  AC97 контролер;
  
• 
  Една (820) или две (820Е) USB шини,съответно с два или четири порта.
  

Възможности на чипсета i840:

• 
  100/133MHz процесорна шина;
  
• 
  Два канала за RDRAM памет, работещи едновременно,които осигуряват пропускателна способност на паметта до 3.2GB/s;
  
• 
  16-битова реализация на хъбовата архитектура на Intel (H116),позволяваща високопроизводителен и едновременен вход/изход по PCI шината чрез опционалния компонент P64H;
  
• 
  AGP 4x;
  
• 
  Кеш за предварително извличане, който е уникален за 840 чипсета. Той осигурява високо ефективен поток от данни и помага за максимизиране на паралелните операции в системата;
  
• 
  Генератор на случайни числа;
  
• 
  Поддръжка на USB.
  
• 
  
  

На всяка дънна платка са необходими различни тактови честоти, с чиято помощ таймерът и останалата електроника върху платката, както и графичната карта и другите разширителни карти се снабдяват с "работните" си тактови сигнали.

Тяхното познаване е необходимо за правилната им настройка, какго и за осъществяване на т.нар. overclocking (овърклокинг), който може да се дефинира като работа на компоненти или на цялата система с по-висока работна тактова честота от честотата, за която са проектирани от производителя. Овърклокингът обикновено се използва при процесорите, но може да се приложи и при други компоненти на системата като паметта, видеокартите, шините и др.

Такт. Тактови честоти

Един такт (на англ. cycle) е времето, за което един сигнал извършва преход от един преден фронт до следващия преден фронт (фиг. 2). В компютърните системи тактът е най-малкият интервал от време за процесора. Всяко действие изисква поне един такт, но обикновено са необходими няколко такта.

Фиг. 2 Променливотоков сигнал, показващ тактуването на генератора

Основният компонент, който управлява скоростта на компютъра е кварцовият генератор. Главният елемент в неговата конструкция е кварцов кристал. Кварцът е силициев диоксид (SiO₂) в кристална форма. Представлява твърд прозрачен материал, крехък, но притежаващ малка еластичност, която е много полезно негово свойство.

В кристална форма кварцът може да се използва за да генерира импулси с постоянна честота, които регулират електронните схеми, подобно на метронома, използван за регулиране на музика. Той се използва поради ценното си свойство пиезоелектричност, която означава генериране на електрическо напрежение под влияние на механично напрежение, както и обратното – създаване на механична деформация под действието на електрическо поле. Когато под действие на електрическо поле кварцовият кристал се деформира, в него се създават еластични сили, които се стремят да го върнат обратно в началното му състояние. След това еластичните сили действат в обратна посока, създавайки трептения с естествена резонансна честота, която зависи от размера и формата на кристала.

На фиг.3 е показан външния вид на кварцови генератори, а на фиг. 3 - схема на устройството на кварцов генератор с дисков резонатор.

Фиг. 3 Кварцови генератори

Фиг. 3 Устройство на кварцов генератор с дисков резонатор

В персоналните компютри се използват кварцови генератори, които могат да бъдат кварцови резонатори или кварцови осцилатори. Разликата се състои в това, че при използване на кварцов резонатор са необходими допълнителни елементи (най-малко два кондензатора) и кварцовият резонатор е само част от схемата за получаване на тактова честота. За работата на осцилатора не са необходими допълнителни елементи. При прилагането на напрежение 5 V той генерира честотата самостоятелно и я подава на определен изход.

Съвременния РС има поне два кварцови генератора: главен, с честота 14,31818 MHz, който управлява скоростта на дънната платка и схемите, свързани с нея и генератор за часовника (RTC-real time clock), който е с честота 32.768 KHz.

Защо 14,31818 MHz?

Честотата 14,31818 MHz е наследена от първите IBM PC, които са използвали честота 4.77 MHz, произлизаща от 14,31818 MHz, делена на 3. Програмируемият таймер е ползвал от своя страна честотата 14,31818 MHz, делена на 12. С честота 14,31818, но разделена на 4, е свързан и цветния NTSC видео сигнал.

Сърцето на всяка дънна платка са различните шини, които пренасят сигнали между компонентите. Всяко устройство в компютърната система е свързано към една от шините. В едно РС има йерархия от няколко шини с различни скорости, като всяка по-бавна шина е свързана с по-бързата от нея. Използваните в съвременните компютърни системи тактови честоти са следните:

• 
  Системната (процесорната) шина работи с някоя от стандартните честоти: 66 MHz, 100 MHz, 133 MHz, 200 MHz, 266 MHz, 400 MHz, 533 MHz, 1066 MHz.
  
• 
  AGP шината работи на 66 MHz, 133 MHz, 266 MHz или 533 MHz.
  
• 
  PCI шината работи на 33 MHz или 66 MHz (за работни станции и сървъри).
  
• 
  ISA шината (16-бита) работи на 8,33 MHz.
  
• 
  Шината на паметта работи на 22 MHz при FPM, 33 MHz при EDO, 67-100-133 MHz при SDRAM, 100 до 400 MHz при DDR, 300 до 1066 MHz при RDRAM.
  
• 
  Честотите на процесорите варират от 4.77 MHz за 8088/8086 до близо 4 GHz за съвременните процесори. Честотите на процесорите след 486DX2 се получават чрез умножение на тактовата честота на системната шина, за да работят на по-висока честота от тази на дънната платка. Множителят се задава чрез превключватели, джъмпери или чрез настройка в BIOS Setup.
  

Повечето чипове честотни синтезатори, използвани в дънните платки на РС, се изработват от Integrated Circuit Systems (www.icst.com) или Cypress Semiconductor (www.cypress.com), преди International Microcircuits Inc [IMI]). Тези чипове използват схемата PLL (phased locked loop) за да генерират синхронизирани времеви сигнали за процесора, PCI, AGP и други шини, които произлизат от единичния 14.318 MHz кристал. Кристалът и честотният синтезатор обикновено са разположени близо до процесора и главния компонент на чипсета.

Забележителното за тези чипове е, че повечето от тях са програмируеми и настройваеми, така че те могат да променят техните изходни честоти чрез софтуер, което води до работа на системата с различни скорости. Тъй като всички процесори са базирани на скоростта на процесорната шина, когато се промени скоростта на шината, генерирана от честотния синтезатор, се променя и скоростта на процесора. Със същия процент се променя и скоростта на PCI, AGP и шината на паметта, тъй като обикновено те са синхронизирани с процесорната шина. Софтуерът, изпълняващ това, е вграден в менюто на BIOS Setup на повечето съвременни дънни платки.

Настройки на тактовите честоти. Овърклокване.

Овърклокване (издуване, изпържване) се нарича работата на определен компонент или цялата система със скорост, по-голяма от посочената, осигуряваща по-висока производителност, обикновено в рамките на 10-20%. Това е възможно поради осигуряване от производителите на т. нар. коефициент на сигурност, при което за гарантиране на стабилна и безотказна работа на компонента, в характеристиките му се посочват по-ниски режими на работа от максимално допустимите.

Овърклокването възниква почти едновременно със създаването на компютрите. Например, Скот Мюлер описва овърклокване на IBM AT чрез замяна на кварцовия кристал, който в тези системи е на цокъл с кристал с по-висока честота. Обичайно в тези системи са се използвали кристали 12 MHz или 16 MHz, които чрез делене на честотата на две са осигурявали на процесора скорост 6 MHz или 8 MHz. Чрез замяна с кристали 18 MHz или 20 MHz е можело да се постигнат скорости 9 MHz или 10 MHz. Някои компании, като XCELX, създават по-късно променливи честотни осцилатори, които могат чрез превключвател да избират между няколко фиксирани честоти и така да променят скоростта на системата.

Повечето съвременни дънни платки автоматично четат процесора и паметта, за да определят тяхната правилна скорост, времена и настройки на напрежението. Първоначално в платките за 486 и Pentium тези настройки се управляват чрез джъмпери и превключватели, но в повечето съвременни дънни платки тези настройки могат да се правят чрез BIOS Setup. Отначало се задава настройките да се извършват ръчно (manual), след което стават достъпни опции в менюто за промяна на скоростта.

Повечето системи са проектирани да заредят в BIOS Setup по подразбиране ниска скорост, която да осигури стабилна работа на системата. Настройките се правят чрез постепенно увеличаване на скоростта на процесора, паметта и шините докато системата стане нестабилна. След това се намаляват, докато системата стане отново стабилна. Този процес е индивидуален за всяка система, тъй като няма абсолютно еднакви компоненти, дори и да са маркирани с едни и същи стойности.

При производството на процесори, от една матрица с диаметър 300 мм, чрез разрязване се получават няколкостотин процесора (напр. при Pentium 4 Prescott до 631 чипа). По-голямата част от тези чипове се тестват след производството и се сортират по скорост, като им се поставя съответната маркировка. Отначало чиповете с високи скорости са по-малко и съответно са по-скъпи. С усъвършенстване на производствения процес те се увеличават, но поради изискванията на пазара за по-голям брой нискоскоростни и съответно по-евтини чипове, които са продаваеми, производителите са принудени да маркират част от високоскоростните чипове като такива с по-ниска скорост, за да запълнят пазарната ниша. С други думи при закупуване на нискоскоростна евтина версия на процесор има голяма вероятност той да работи при значително по-високи скорости, докато при високоскоростните версии този запас е значително по-малък и там възможностите за овърклокване са доста ограничени.

Посочената възможност за овърклокване звучи доста обещаващо, но има един немаловажен проблем. На повечето процесори на Intel и AMD след Pentium II множителят им се заключва, преди да излязат от производствената линия. При това положение всякакви промени в настройките за умножаване, налични на дънната платка, просто се игнорират от чипа. Въпреки че първоначалния замисъл на тези мерки е да се попречи на мошениците да премаркират процесорите, това е удар срещу любителите на високите скорости. В този случай единствената алтернатива за промяна на скоростта е да се промени настройката на тактовата честота на процесорната шина, наричана още предна шина (front side bus FSB). Много дънни платки позволяват промени в скоростта до 50% или повече, но процесорът рядко поддържа скорости, които са далеч над определените без заключване или проваляне. При това трябва да се има предвид, че увеличаването на скоростта на процесорната шина води до увеличаване и на скоростите на шината за памет, PCI шината и AGP шината със същия процент. Следователно, ако паметта е нестабилна при по-висока скорост, системата ще се проваля, дори и процесора да е в състояние да поддържа тази скорост. Системата ще се влияе от най-слабото звено, което означава че тя ще работи бързо само ако всички компоненти могат да поемат предизвикателството. Затова за овърклокване са подходящи дънни платки, позволяващи междини честоти с малки нараствания. В общия случай успешно е нарастване от 10 до 20%.