Le schede madri per P.C.

1. I.T.I.S. Santhià – Dipartimento di Informatica Le schede madri per P.C. Modulo didattico “L’Hardware del P.C.” v.2005 Aggiornamento: dicembre 2004 Autore M. Lanino

2. Cos’è la MB? Si tratta di una piastra di circuito stampato (PCB) multistrato di formato standard (ATX e in futuro BTX) che ha il compito di rendere possibili i collegamenti fra i vari dispositivi HW interni al PC (CPU, schede, alimentazioni, memoria, unità disco) e quelli esterni (periferiche varie di input e output). Sulla MB trovano posto numerosi circuiti integrati, componenti elettronici di vario tipo (R, C, L, diodi ecc… ) e connettori di diverse fogge e dimensioni. Essa viene avvitata saldamente al case del PC, dal quale risulta isolata elettricamente.

3. Schema a blocchi La figura mostra quella che è l'architettura di massima seguita dalla maggior parte delle schede madri (non recentissime) in commercio. L'architettura del sistema è sempre apparsa più complicata, ma il livello di integrazione attualmente raggiunto ha permesso di raggruppare tutto in due soli componenti principali: Northbridge (NB) e Southbridge (SB). Fsb Il Northbridge connette tra loro il Fsb al bus della memoria centrale, al bus Agp e al Southbridge. Per un progettista vale la regola che tutte le periferiche veloci convivono all'interno del NB, mentre il SB è deputato a integrare tutti i bus per le periferiche lente: Eide, Isa, Usb e così via.

4. Gli Hub di Intel ed il punto di svolta dell’architettura delle MB Con la conseguenza di aumentare la confusione all'interno del già caotico mondo delle schede madri, Intel ha deciso di riferirsi ai componenti dei propri chipset con il termine Hub. Il Northbridge è identificato con la dicitura Memory Controller Hub (Mch), mentre il Southbridge con la dicitura I/O Controller Hub (Ich). Il vero salto di qualità : Un cambiamento sostanziale è stato introdotto nell'interfaccia che collega questi due elementi: si è passati già da qualche anno ad una connessione punto-punto, cioè utilizzata solo per i trasferimenti NB-SB, abbandonando l'impiego del bus Pci come mezzo di comunicazione. Il bus Pci è diventato soltanto uno dei tanti bus gestiti all'interno del Southbridge.

5. Northbridge Il compito del NB (Mch) è di gestire il traffico dati movimentato su quattro differenti bus.Il chip deve gestire un incrocio a quattro vie, dove tutti desiderano avere un accesso facile e rapido verso la memoria Dram di sistema. I primi controller della memoria erano orientati a servire prevalentemente il processore, poiché la maggior parte del traffico dati era inteso per esso. Oggi le cose sono cambiate: Il NB ora deve permettere la simultaneità di accesso alla memoria, ovvero ogni periferica deve vedersi connessa in maniera dedicata alla memoria (DMA=Direct memory access). In questo modo il NB regola il traffico diminuendo il carico di lavoro della CPU. Torna a Schema a blocchi

6. NB e i buffer per la memoria • I parametri su cui si può giocare per incrementare le prestazioni di accesso alla memoria di sistema sono molteplici: • ·Incremento della frequenza di clock del Front Side Bus (FSB), cioè del bus che collega il NB alla CPU (oggi 800 MHz per Intel e AMD) • ·Ottimizzazione l’architettura del controller della memoria* • ·Aumento della frequenza di lavoro delle memorie e diminuzione dei tempi di latenza (oggi Pc3200) • Raddoppio del canale da e verso la memoria di sistema DDR (dual channel memory) • A proposito di quest’ultimo punto, la prima famiglia di chipset dotata del supporto al doppio canale DDR è stata l’nForce di Nvidia, ma tutti i produttori hanno rapidamente sviluppato nuove soluzioni per quello pare ormai il futuro standard per i desktop. • Inoltre Intel ha sviluppato Hyper-Threading, tecnologia che permette, al software in grado di supportarla, di operare come se avesse a che fare con un sistema biprocessore. * Alcune CPU inglobano al loro interno il controller, sgravando il NB da questo compito 

7. Forse a breve … Il controller della memoria pare destinato a spostarsi all’interno della CPU. Ciò andrà ad aumentare la complessità dei chip, ma velocizzerà le operazioni di accesso alla RAM. Ciò semplifica l’architettura del NB, mentre il SB si va complicando per l’aggiunta dei controller SATA e RAID. Potrebbe a questo punto non essere più antieconomico fondere SB e NB in un solo chip. La prima CPU dotata di controller integrato della memoria di sistema è stata l’ Athlon64 di AMD. Oggi l’Athlon 64 FX dispone di un controller a doppio canale (128 bit)

8. Southbridge Problema sorto quattro-cinque anni fa: L'utilizzo del bus Pci come connessione tra il NB e il SB sta divenendo uno dei principali colli di bottiglia delle odierne architetture. Con l'interfaccia EIde che si avvicinava ai 100 - 133 MByte al secondo in modalità di lettura burst, le periferiche connesse al SB hanno la possibilità di saturare il bus PCI nel momento in cui cercano di accedere alla memoria di sistema Riconoscendo la fonte del problema le società costruttrici di chipset hanno investito in nuove interfacce di comunicazione tra i componenti del chipset, creando soluzioni diverse anche se non troppo dissimili fra loro. Torna a Schema a blocchi

9. La connessione dedicata NB - SB INTEL Intel è stata la prima, con la famiglia 800 a introdurre un nuovo tipo di connessione, denominato Hub Link con Bus di soli 8 bit e frequenza di funzionamento di 133 MHz in modalità doppio fronte, per una ampiezza di banda di 266 Mbyte/s. VIA La soluzione proprietaria di VIA, ditta Taiwanese, per la connessione di NB e SB è stata denominata V-Link AMD AMD ha sviluppato una sua soluzione, denominata Hyper Transport Technology, utilizzata anche da Nvidia, da Microsoft nella sua console X-Box e nelle GPU nForce e nForce2. Invece dell'impiego di una singola porta, l'Hyper Transport Technology fornisce due canali (di ampiezza variabile a seconda dei tipi da 2 bit a 32 bit) unidirezionali per ottenere operazioni full duplex.

10. Breve panoramica dei chipset oggi in commercio I maggiori produttori: Intel, Via, nVidia

11. Chipset INTEL

12. Chipset VIA Alla fine del mese di Settembre VIA ha presentato la propria nuova piattaforma chipset K8T890, successore di K8T800, specifica per processori AMD Athlon 64. Tra le caratteristiche di questo chipset, segnaliamo (per la prima volta) il supporto al PCI Express (20 linee:1 16x e 4 1x). In figura si può osservare lo schema a blocchi del Chipset VIA KT333, che pur non recentissimo, permette di evidenziare tutti i collegamenti fra Chipset e HW della MB

13. Chipset Nvidia L’ultimo nato di casa nVidia è l’ nForce4 In figura è rappresentato il suo schema a blocchi NVIDIA ha introdotto ufficialmente il suo nuovo chipset nForce 4, nuova piattaforma per cpu Athlon 64 con supporto a periferiche e schede video PCI Express.La famiglia di chipset nForce 4 si compone di tre differenti modelli: nForce 4: versione base per schede madri Socket 754 e Socket 939 di fascia entry level. Offre il supporto agli HDD Serial ATA 1,5 Gbit/s e funzionalità RAID, 10 porte USB 2.0 e scheda di rete Gigabit. nForce 4 Ultra: versione high-end che supporta tutte le funzionalità avanzate del chipset come il controller Serial ATA 3 Gbit/s, il firewall Active Armor per la protezione dagli attacchi provenienti dalla rete, oltre alle funzionalità presenti nella versione base. nForce 4 SLI: ha le stesse caratteristiche della versione Ultra, ma aggiunge il supporto alla tecnologia SLI per il collegamento di due schede video PCI Express 16x come GeForce 6600GT o GeForce 6800 Ultra/GT, in modo da farle funzionare in parallelo.

14. L'interfaccia Dram della memoria di sistema Attualmente quasi nessun chipset in circolazione supporta più la “vecchia” memoria Sdramfunzionante a 133 MHz (PC 133) e capace di una banda passante di 1,064 GByte al secondo su canali da 64 bit. La memoria oggi in uso è la Dram Ddr (Dimm Ddr PC1600, PC2100, PC2700, PC3200, fino al PC4200 e PC5400) che permette di ottenere un valore di transfer rate circa triplo, ovvero una banda dati teorica di 3,2 GByte al secondo per le PC3200. Sono ormai scomparsi i chipset che supportano la memoria di tipo Rambus*. La stessa Intel, che ne è stata il portabandiera, ha abbandonato la produzione l’anno scorso. * La soluzione utilizzata da Rambus, PC600 e PC800, faceva riferimento alla velocità di clock, così che la sigla PC800 indicava un modulo a 16 bit funzionante a 800 MHz (400 MHz a doppio fronte) su doppio canale, per una banda passante di 1.600 MByte al secondo.

15. Agp: Accelerated Graphics Port Interface Si tratta dell’ interfaccia di connessione punto-punto verso il sottosistema grafico (scheda video) Il sottosistema grafico si trovava prima collegato al bus Pci, ma l'architettura condivisa di questo bus stava divenendo sempre di più il collo di bottiglia che impediva di ottenere prestazioni superiori in ambito grafico. Parallelamente, l'evoluzione delle schede grafiche ha portato all'integrazione sulla scheda di quantitativi di memoria paragonabili a quelli della memoria di sistema ed all’ aumento vertiginoso delle prestazioni dei processori grafici. la connessione Agp è risultata essere una valida soluzione per sgravare il bus Pci dall'enorme traffico generato dalla scheda grafica e accrescere al tempo stesso la banda dati tra la Cpu e lo stesso sottosistema grafico. La situazione è comunque in continua evoluzione: attualmente la connessione Agp lavora a 8X ed è giunta al capolinea con la revisione 3.0. Il Futuro è già iniziato con la nuova piattaforma PCI-Express

16. Alcune considerazioni sull’AGP La tecnologia AGP 3.0, di cui fa parte AGP8x, dovrebbe essere l’ultima versione dell’interfaccia parallela, prima di passare nel 2005 in modo sistematico alla soluzione grafica seriale basata su bus PCI Express. Alcune schede madri appartenenti alla fascia di basso costo eliminano completamente la memoria grafica e lavorano con un sistema di memoria unificato (Uma,Unified Memory Architecture). L'approccio Uma è stato impiegato con processori grafici di fascia bassa, ma le prestazioni 3D sono poco soddisfacenti. Una nuova generazione di chipset utilizza un approccio con memoria condivisa (Smac Shared Memory Architecture) con l'impiego di core grafici più evoluti e memoria Ddr. Integrando il core grafico direttamente all'interno del Northbridge si può eliminare in maniera completa il bus Agp. Oggi tutte le MB supportano ormai la soluzione Agp 8X con canale a 32 bit e otto dati trasferiti per ciclo di clock. La banda passante ha così raggiunto i 2,1 Gbyte/s. Molte sono ormai le schede madri che supportano, per la connessione alla scheda video, lo standard PCI-Express 16x, che dispone di banda passante circa doppia rispetto allo standard AGP 8x.

17. Il variegato mondo che vive nel Southbridge mentre il Northbridge gestisce il traffico ad alta velocità, il Southbrige connette tutte le più disparate periferiche facenti capo al P.C.Citiamo alcuni dei collegamenti: Bus Pci : Ora che alcuni SB hanno connessioni dedicate verso il NB il bus Pci è diventato uno dei tanti bus gestiti dal SB. È doveroso notare che le schede madri possiedono periferiche collegate a questo bus anche se negli slot Pci non sono presenti schede. Il bus PCI sarà a breve sostituito dal nuovo PCI-Express, in grado di garantire bande passanti più ampie. Bios (Basic I/OSystem): Il Bios è un software che opera a basso livello e controlla le periferiche presenti sulla scheda madre. Il processore esegue il codice Bios non appena il computer viene avviato. Usb (Universal Serial Bus): Questo bus di tipo seriale è stato disegnato per interfacciarsi con periferiche esterne come mouse, tastiere, scanner, fotocamere, ecc. Il flusso dati è relativamente basso (fino a 12 Mbit al secondo) per l'Usb 1.1, mentre la nuova versione 2.0 ( USB2) dispone di banda passante molto ampia per competere con lo standard IEEE 1394 (Firewire)

18. Interfaccia Ide: Il controller dei dischi è uno degli elementi in rapida mutazione nell'architettura del Pc. Intesa inizialmente come alternativa economica all'interfaccia Scsi, la tecnologia Ide si è evoluta per supportare trasferimenti di dati veloci e dischi con grandi capacità di memorizzazione (EIDE). Ulteriori informazioni nella Slide successiva. Codec Audio (AC Link): Il chipset è disegnato per consentire la connessione digitale a semplici chip esterni per la gestione di segnali miscelati (analogici/digitali) per l'audio e la telefonia. L'attuale versione AC '97 2.2 fornisce un'interfaccia a 5 segnali verso un codec esterno. Lan (Local Area Network) integrata Il networking è un altro settore dove i progettisti stanno cercando nuove soluzioni per spostare il carico di lavoro sul processore. L'idea è che i produttori si muoveranno verso la produzione di piccole schede riser, che includeranno tutte le funzionalità necessarie all'utente. Il costo di una scheda riser è molto inferiore a quello di una scheda Pci. Nascondere una funzione all'interno del chipset rende difficile valutarne la qualità; non è più infatti possibile leggere il codice identificativo del chip ethernet per poterne stabilire la qualità e le funzioni.

19. PCI Express In un prossimo futuro il PCI Express sostituirà completamente l’ormai datato bus PCI, si tratta di un'architettura di I/O ad alta velocità, multifunzionale e scalabile fino a 10 Gigabit/s di velocità. PCI Express è destinato a unificare l'architettura di I/O per i PC desktop, i PC portatili, i server, le piattaforme di comunicazione, le workstation e i dispositivi embedded. Inoltre, consoliderà le diverse connessioni parallele di tipo simile (bus) disponibili nelle attuali piattaforme. Il risultato si traduce in un'ampia adozione multi piattaforma e in una migrazione più conveniente alla nuova generazione di tecnologie di I/O. La struttura base sarà lo switch, con collegamenti tipo punto-punto ai vari host. Ciò non parzializzerà la banda passante, come invece avviene ora.Ad esempio, le schede grafiche collegate tramite porte Accelerated Graphics Port (AGP) a velocità AGP 8x, sono in grado di trasferire i dati a circa 2 GB/secondo. Quelle con interfaccia PCI Express 16x possono raggiungere velocità di 4 GB/s nelle due direzioni, grazie alle16 corsie disponibili.

20. Prime apparizioni di PCI Express AGP Port PCI Express Port PCI Port Foto scattata all’Intel Developer Forum (IDF) tenutosi a San Josè (California) dal 16 al 18 settembre 2003

21. Ancora sull’interfaccia EIDE Per incrementare ulteriormente la velocità di questa interfaccia è stato introdotto l'utilizzo di connettori a 80 fili che hanno permesso di raggiungere livelli di trasmissione dati pari a 100 MByte al secondo (Ata-100) e di 133 MByte al secondo (Ata-133). La maggior parte dei chipset supporta solo due canali Ide, ciascuno dei quali può essere popolato da un'unità primaria (master) e una secondaria (slave). L'impiego di controller Ata su scheda Pci consente di aumentare il numero di canali disponibili e quindi il numero di periferiche che possono essere connesse al sistema. Le schede di ultima generazione supportano il nuovo standard Serial ATA, che utilizza un’interfaccia seriale per veicolare il flusso di dati, offendo una banda più ampia (150 Mbyte/s) e cavi di interconnessione molto più compatti. Inoltre, attraverso appositi controller, è ormai comune il supporto alle modalità di funzionamento RAID 0, RAID 1, RAID 0+1 e RAID 5 per i dischi fissi.

22. Scheda madre socket A del 2002 PCI Slots (5) Audio On-Board Parallel and serial Ports Game/MIDIPorts BIOS USB Ports AGPPort AMR1 Slot CPU Socket Northbridge with fan Southbridge ATX1 connector Battery IDE 1 IDE 2 DRAM DDR slots(3) FDD

23. Scheda madre per P4 - 2003 CODEC Audio USB Ports Parallel and serial Ports PCI Slots (5) AGP 8x Port IEEE 1394 AMR1 Slot Southbridge CPU Socket 478 (P4) Slots SATA Northbridge Battery DRAM DDR slots (2x2) BIOS ATX1 connector IDE ch1 e ch2 FDD

24. Chipset: stato dell’arte CHIPSET per P4: Gli ultimi chipset di Intel sono l’ i915 e l’ i925X (Mch) e l’ Ich5 (SB). Caratteristiche: FSB 800 MHz, supporto a Ddr400 (PC3200) e Ddr2, Dual Channel, Hyper-Threading (HT) e PCI Express x16, standard audio Azalia e SATA. CHIPSET per Athlon XP: I più utilizzati sono quelli di VIA e di nVIDIA. VIA KT333 + VT8235  FSB 333MHz e supporto DDR333 (PC2700) VIA KT400 + VT8235  FSB 400MHz e supporto DDR400 (PC3200) VIA KT600 + VT8237  FSB 400MHz e supporto DDR400 dual channel nVIDIA nFORCE2  FSB 400MHz e supporto DDR400 dual channel CHIPSET per Athlon64: VIA K8T890 + VIA VT8251  FSB 800 MHz e supporto al PCI Express

25. Come sta cambiando la MB La MB sta evolvendo verso una progressiva semplificazione, generata dalla presenza del controller verso la memoria integrato nelle CPU dell’ultima generazione. Il chipset, come si può notare, è costituito da un solo integrato, visibile solo parzialmente in questa foto perché nascosto dalla scheda grafica. Chipset Scheda Video SATA

26. Ad ogni CPU il suo socket*! * Socket  letteralmente “incastro”, è lo zoccolo su cui si fissa la CPU

27. Asus A7N8X-X socket A Torna a Socket e CPU

28. Asus P4P800 socket 478 Torna a Socket e CPU

29. Asus NCCH-DL Torna a Socket e CPU

30. Asus K8N-E Deluxe Torna a Socket e CPU

31. Asus P5P800 Torna a Socket e CPU

32. Asus A8N-E Deluxe Torna a Socket e CPU

33. Asus SK8V Torna a Socket e CPU

34. Tyan S2880GNR – dual Opteron Scheda madre di recentissima fabbricazione destinata a piattaforme a 64 bit DUAL OPTERON (doppio processore AMD). Si noti il doppio socket 940 e la mancanza del chip AMD 8151 per il supporto dell’AGP 3.0 e del Northbridge, in quanto i controller della memoria sono integrati nelle CPU. Si deduce dunque che la scheda è destinata alla realizzazione di configurazioni workstation server per il calcolo numerico. Si noti infine la presenza di 2 canali PCI-X distinti, il primo (Ch.A) che dispone di 2 slot a 64 bit operanti a 33 e 66 MHz, mentre il secondo (Ch.B) dispone di altri 2 slot operanti a 33,66,100 e133 MHz. Torna a Socket e CPU

35. I principali produttori mondiali di MB Abit Taiwan Acorp Taiwan Albatron Taiwan AOpen Taiwan Asus Taiwan Chaintech Taiwan DFI Taiwan Epox Taiwan Fic Taiwan Gigabyte Taiwan Intel USA Leadtek Taiwan MSI Taiwan QDI Taiwan Shuttle Taiwan Soltek Taiwan Tyan Taiwan Come si vede, parlare di predominio Asiatico è il minimo che si possa affermare!