PC Werkstatt Ausgabe 2000- P31 pps

6.12 Chipsets und MainboardsEin Chipsatz Chipset setzt sich aus mehreren elektronischen Bauelementen zu-sammen und verbindet die verschiedenen Einheiten wie beispielsweise die CPU, den R

Gleichwohl wird sich ein »geübter Bastler« davon nicht abschrecken lassen, und er kann anhand der angegebenen Pinbelegungen der PLLs die fehlende Leitung ent-sprechend nachrüsten, wobei unter Umständen eine andere durchtrennt werden muss Dabei ist natürlich äußerste Vorsicht angesagt, um dem Mainboard keinen ernsthaften Schaden zuzufügen

9107-3 9107-4 9107-5 9107-10 8315PC VT8225

2 x Input

3 x Input

8 x Input

0,5 x Input

0,25 x Input

Tabelle 6.26: Die Festlegung der Ausgangsfrequenzen in MHz bei den verschiedenen PLL-Bausteinen;

die Angaben hinter dem »/«-Zeichen gelten jeweils für den Ausgang, der die doppelte Frequenz gegenüber CLK1 ausgibt

6.12 Chipsets und Mainboards

Ein Chipsatz (Chipset) setzt sich aus mehreren elektronischen Bauelementen zu-sammen und verbindet die verschiedenen Einheiten wie beispielsweise die CPU, den RAM-Speicher, die Schnittstellen und das Bussystem für die Einsteckkarten miteinander Unter der Kontrolle der CPU ist er für alle Vorgänge des PC verant-wortlich Bestanden die ersten Mainboards aus bis zu über einhundert verschiede-nen Bauelementen, sind aufgrund der stark fortgeschritteverschiede-nen Halbleitertechnologie heute nur noch relativ wenige Bauelemente auf den Mainboards zu finden, die zahlreiche Funktionseinheiten beinhalten

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Chipsätze durch das jeweils angepasste BIOS kompatibel mit der Software(seite) sind Das heißt, dass sie, auch wenn sich auf einem Mainboard beispielsweise nicht die erläuterten DMA-und Interrupt-Controller entdecken lassen, weil sie im Chipsatz funktionell inte-griert sind, dennoch unter den in den vorherigen Kapiteln erläuterten Adressen

zu finden und demnach auch genauso zu programmierbar sind Im Gegensatz zum

einführenden Kapitel über Chipsätze (Kapitel 6.3, Der Chipsatz) geht es im

Folgen-den um Chipsätze mit PCI-Bus

6.12.1 486-PCI-Chipset

Mit der Einführung von PCI (Peripheral Components Interconnect, siehe Kapitel

10) und der Implementierung der dazugehörigen PCI-Slots für die Aufnahme der Einsteckkarten wurde die Architektur der Chipsätze grundlegend verändert Vom PC- zum ISA- über EISA- und VLB- hin zum PCI-Bus, so lautet die Reihenfolge der Entwicklung

Da Intel der maßgebliche Entwickler von PCI ist, hat diese Firma auch die ersten Chipsätze für PCI vorweisen können, die zunächst für 486-CPUs bestimmt waren Auch diese sind heute – zumindest technologisch betrachtet – als veraltet anzuse-hen, und stattdessen sind Chipsätze für Pentium-CPUs unterschiedlicher Bauart, der heutige Standard

Einer der ersten PCI-Chipsätze für 486-CPUs ist unter der Bezeichnung Saturn, (Typ

82420) bekannt, und er stammt (natürlich) von Intel Er setzt sich aus den folgen-den Chips zusammen:

> 82424TX: Cache/DRAM-Controller, (CDC, 82424TX)

Der CDC verbindet den CPU-Bus mit dem PCI-Bus, stellt die Adressen- und Control-Signale zur Verfügung und enthält einen Cache- sowie einen DRAM-Controller Er arbeitet unmittelbar in Verbindung mit der DPU, die für die Datensteuerung zuständig ist Aufgrund der zahlreichen Anschlüsse werden beide Bausteine jedoch nicht in einem Gehäuse kombiniert untergebracht

> 82423TX: Data-Path-Unit, (DPU, 82423TX)

Die Data-Path-Units stellen im Prinzip die Datenbustreiberbausteine dar und sind bei anderen Chipsets mit im Systemcontroller integriert

> 82378IB: System-I/O (SIO, 82378IB)

Das Interface zwischen dem PCI- und dem ISA-Bus wird durch den SIO-Baustein (System-I/O) realisiert Er enthält die Standardbauelemente, wie sie in ISA- und EISA-PCs verwendet werden, also den Timer und die Interrupt- und DMA-Controller, damit die ISA-Karten ebenfalls in einem PCI-Computer verwendet werden kön-nen, wofür auf dem Mainboard typisch drei bis vier Slots vorgesehen sind Wie erwähnt, genießt der ISA-Bus in einem PCI-PC eine untergeordnete Priorität, wie es auch im folgenden Bild deutlich erkennbar ist, welches außerdem die Lage und Funktion der verschiedenen Bussysteme in einem PC verdeutlicht

Bild 6.69: Der Aufbau eines PCI-Computers mit Intel Saturn-Chipsatz

Des Weiteren enthält der SIO-Baustein den PCI-Bus-Arbiter, der neben dem CDC zwei weitere PCI-Master verwalten kann Der allererste Peripherie-Chip für PCI, der als PCI-Busmaster arbeiten konnte, war im Übrigen der SCSI-Controller 53C810 der Firma NCR (heute Symbios Logic)

6.12.2 Intel-Pentium-Chipsets für den Sockel 7

Der Übergang von einem PCI-Chipsatz für eine 486-CPU zu einem für eine Pentium-CPU wurde von Intel sehr rasch vollzogen Allerdings blieb dabei die Performance auf der Strecke Der Mercury-Chipsatz, bestehend aus 82434LX, 82378IB und zwei 82433FX, war der erste für die Pentium-CPUs, die mit 60 oder 66 MHz arbeiten – die Pentium-CPUs der ersten Generation

Dieser Chipsatz wie auch die 60/66 MHz-CPUs waren technologisch gesehen eine Sackgasse und boten keine bessere Leistung als ein gutes 486-DX2-System, welches damals (ca 1993) die preiswertere Alternative darstellte Ein DX2-System kann problemlos auch eine leistungsfähigere CPU wie den 486DX4 aufnehmen, wobei – je nach Mainboard-Typ – möglicherweise ein Zwischensockel für die CPU erforderlich ist, der die notwendige Spannungsumsetzung von 5 V auf 3,3 V vornimmt

Mit dem Pentium-System ist kein sinnvoller Upgrade-Weg möglich, denn die von Intel etwas später vorgestellten Overdrive-Prozessoren, die speziell hierfür ausge-legt sind, sind zu teuer, weil ein neues Mainboard mit neuer Pentium-CPU demge-genüber weit günstiger kommt Der Mercury-Chipsatz ist außerdem keineswegs für die Pentium-Features (siehe Kapitel 7) entwickelt worden, sondern im Grunde ge-nommen nur eine (geringfügige) Veränderung des 486-PCI-Chipsatzes

Viele Anwender, die ein Pentium-System der ersten Generation erworben haben, werden sich schwarz geärgert haben, dass sie relativ viel Geld für ein unausgegore-nes System ausgegeben haben, denn sie wären mit einem guten 486-PC besser bedient gewesen

Bild 6.70: Das Blockschaltbild des Intel-Triton-Chipsatzes

Der erst relativ spät (in Anbetracht der Tatsache, dass es bereits seit 1–2 Jahren Pentium-CPUs gab) vorgestellte Triton-Chipsatz (siehe Bild 6.70) war der erste »rich-tige« Chipsatz für ein Pentium-PCI-System Die offizielle Bezeichnung hierfür lau-tet 82430FX, und der Chipsatz besteht aus vier Bausteinen:

> S82437FX: Triton System-Controller (TSC)

Enthält die DRAM- und Cache-Memory-Controller-Einheit Der TSC ist die Steu-ereinheit für die Datenübertragung zwischen der CPU, dem Cache, dem DRAM und dem PCI-Bus Der integrierte 2-Level-Cache-Controller unterstützt

Write-Back-Cache bis zu einer maximalen Kapazität von 512 Kbyte Der Cache-Spei-cher kann mit Standard-, Burst- oder Pipeline-Burst-SRAMs (statische RAMs) realisiert werden

> S82438FX: Triton Data Paths (TDP)

Die beiden TDPs liefern in Zusammenarbeit mit dem TSC die Unterstützung von bis zu 128 Mbyte Standard- oder EDO-RAMs Die TDPs sind für die Daten-buspufferung (Treiber- und Entkopplungsfunktion) aller Memory- und I/O-Transfers zuständig

> S82371FB: PCI ISA IDE Xcelerator (PIIX)

Der PIIX ist die so genannte PCI-ISA-Bridge und der Nachfolger des SIO-Bau-steins (s.o.) Dieser Baustein verbindet das PCI-Bus-Design des Mainboards mit dem aus traditionellen Gründen vorhandenen ISA-Bus Der PIIX ist für die gesamte ISA-Bus-Kommunikation verantwortlich und enthält des Weiteren die beiden DMA- und Interrupt-Controller, den Timer/Counter, die Stromsparfunk-tionen und ein Enhanced-IDE-Interface für den Anschluss von Festplatten und/ oder CD-ROM-Laufwerken (maximal vier Geräte)

Der Triton-Chipsatz wurde von Intel in recht schneller Abfolge in verschiedenen aktualisierten Versionen vorgestellt, die sich in ihrer Bezeichnung kaum voneinan-der unterscheiden Diese Chipsätze führen in ihrer Kennzeichnung stets 82430, ge-folgt vom bestimmenden Kürzel (FX = Triton 1, HX = Triton 2, VX = Triton 3, TX = Triton 4, inoffizielle Bezeichnungen) Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Da-ten der vier Chipsätze im Überblick:

System Controller 82437FX 82439HX 82437VX 82439TX Data Path Unit 82438FX im 82439HX 82438VX im 82439TX Maximaler Speicher 128 Mbyte 512 Mbyte 128 Mbyte 256 Mbyte Max L2-Cache 512 Kbyte 512 Kbyte 512 Kbyte 512 Kbyte Cacheable Area 64 Mbyte 512 Mbyte 64 Mbyte 64 Mbyte

(82371FB) (82371SB) (82371SB) (82371AB)

Tabelle 6.27: Daten der Intel-Chipsätze für Pentium-CPUs

Ein wichtiger technologischer Schritt zur Platzeinsparung auf dem Mainboard war die Integration der Data-Path-Bausteine im System-Controller (siehe Tabelle), der

in einem speziellen Gehäuse (BGA) hergestellt wird und somit auf dem Mainboard relativ leicht zu identifizieren ist (siehe auch folgendes Bild)

Die Funktionen des Bridge-Bausteins (PIIX) sind kontinuierlich erweitert worden.

Der PIIX3 bietet gegenüber dem PIIX die Unterstützung für den Universal Serial Bus, der in Kapitel 10 näher erläutert wird.

Im Nachfolger – dem PIIX4 – sind auch noch die Real Time Clock und das CMOS-RAM untergebracht, und er beherrscht außerdem die Ultra-DMA/33-Übertragung für geeignete EIDE-Festplatten Zur Nutzung eines DMA-Modus für EIDE-Festplat-ten ist grundsätzlich ein zusätzlicher Treiber (Bus Master Device Driver) zu laden, der zum Lieferumfang des Mainboards gehört und auf der Diskette für

verschiede-ne Betriebssysteme (Win NT, Win 3.1, Win 95/98, OS/2, Novell) enthalten ist

Erst Windows 98 lädt und aktiviert den zum Chipset passenden Bus Master Device

Driver automatisch, natürlich aber nur dann, wenn Windows 98 den jeweiligen

Chipsatz identifizieren kann In der Praxis bedeutet dies – wie so häufig –, dass das Internet für die Beschaffung eines aktuellen Treibers vom Mainboard-Hersteller zu bemühen ist

Bild 6.71: Dieses Mainboard verwendet den Intel 82430HX-Chipsatz, erkennbar am Systemcontroller

im BGA-Gehäuse (82439HX, links neben den SIMM-Steckplätzen)

Mit den ersten Mainboards, die den PIIX4 verwenden, können in der Praxis einige Probleme im Zusammenhang mit ISA-Einsteckkarten auftreten, denn hier wurde erstmalig der Signalpegel von typisch 5 V auf 3,3 V abgesenkt Beide Werte ent-sprechen zwar dem gültigen TTL-Pegel für ein High, gleichwohl kann es aufgrund von Bauteiltoleranzen oder auch einem nicht konsistenten Design passieren, dass eine ISA-Einsteckkarte in einem derartigen Mainboard eben nicht funktioniert Insbesondere einige ISDN-Karten – beispielsweise der Firma AVM (FritzCard) – stel-len sich hier als Problemfälle dar

Des Weiteren betrifft die »Spannungsabsenkung« nicht nur den ISA-Bus, sondern auch den integrierten EIDE-Controller, was zum Nichtfunktionieren bestimmter Fest-platten führen kann Einige Modelle der Firma Seagate (ST31720, ST33240, ST32531) sind beispielsweise davon betroffen

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Der Intel 430TX-Chipsatz arbeitet nicht mehr mit 5 V-, sondern mit 3,3 V-Signalen, was demnach auch für den PIIX4 gilt und zur Folge hat, dass einige ISA-Karten und

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auch EIDE-Festplatten möglicherweise nicht mehr funktionieren.

Bild 6.72: Der PIIX4 (Southbridge) ist Bestandteil vieler Intel-Chipsets und enthält die

PCI-ISA-Bridge, den Interrupt-, DMA- und USB-Controller, den Timer, zwei IDE-Interfaces, die Echtzeituhr (RTC) mit dem CMOS-RAM sowie eine Schaltung für das Powermanagement und den SMBUS für den Anschluss eines System-Monitoring-Chips zur Parameterüber-wachung wie beispielsweise der Temperaturen

Im Hinblick auf die PC-Spezifikation (PC-98/99) von Microsoft, die versucht, einen

Damit ist beispielsweise die Überwachung der Spannungen, der Lüfter und ver-schiedener Temperaturen (CPU, interne Umgebung) möglich Im Fehlerfall wird ein entsprechender Alarm (akustisch und/oder optisch) ausgegeben Das Mainboard TX97 der Firma Asus unterstützt als eines der ersten beispielsweise diese Funktio-nen und wird mit zusätzlicher Software zur Überprüfung des augenblicklichen PC-Zustands (CPU-Temperatur, Lüfter aktiv usw.) ausgeliefert, was mit Hilfe des Intel-LAN-Managers, der sich ebenfalls im Lieferumfang befindet, sogar von einem anderen

PC aus über ein Netzwerk möglich ist

Ab dem Chipsatz 430VX ist eine Unterstützung für die schnellen synchronen DRAMs (SDRAM) gegeben, was den 2-Level-Cache-Speicher überflüssig machen soll Die Praxis zeigt hier jedoch etwas anderes, denn ein optimal konfiguriertes System mit EDO-RAM und 2-Level-Cache-Speicher ist dem mit alleinigem SDRAM überlegen Mit dem Chipsatz 430VX wurde eine Neuerung eingeführt, die aber keineswegs als Fortschritt gegenüber den Vorgängerversionen betrachtet werden kann Der Cache

kann hier nur auf einen maximalen DRAM-Bereich von 64 Mbyte zugreifen, was in der obigen Tabelle als Cacheable-Area angegeben ist Falls der PC mit mehr als 64

Mbyte DRAM bestückt ist, ist der Cache-Speicher ab diesem Bereich nicht aktiv, und die Daten müssen immer aus dem langsameren DRAM geladen werden, was die Performance ganz erheblich beeinträchtigt Unter Windows 95 oder auch Windows

NT 4.0 ist ein derartiger PC mit 128 Mbyte-DRAM sogar langsamer als einer, der nur mit 64 Mbyte ausgestattet ist

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Der Speicherausbau ist bei einem PC, der mit dem Intel 430VX oder TX-Chipsatz

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aufgebaut ist, nur bis zu einer Größe von 64 Mbyte sinnvoll.

Demnach ist der (ältere) Intel-430-HX-Chipsatz immer noch eine gute Wahl, da er diese Einschränkung prinzipiell nicht aufweist Laut Intel ist diese Limitierung allerdings gewollt (Marketing), da man bei Speichergrößen über 64 Mbyte ohnehin mindestens auf einen Pentium II, der über eine Cacheable-Area von 512 Mbyte verfügt, umsteigen sollte

6.12.3 Alternative Sockel-7-Chipsets

Andere Chipsatz-Hersteller (ALI, VIA, ETEQ) haben sich im Gegensatz zu Intel noch nicht von Chipsets, die für den Sockeltyp Nr 7 vorgesehen sind, verabschiedet Sie haben ihre Chipsätze (z.B Aladin, Apollo VPX/VP-2) derart entwickelt, dass die Cacheable Area 512 Mbyte – im Gegensatz zu den Intel-Chipsets (siehe voriges

Kapitel) – abdecken kann; kann deshalb, weil keineswegs sichergestellt ist, dass

ein Mainboard, welches einen Chipsatz verwendet, der mehr als 64 Mbyte Cacheable Area bieten kann, dies auch tatsächlich zu leisten vermag Wie in dem Kapitel über den Cache-Speicher noch genauer erläutert wird, spielt die Adressierungsbreite und -tiefe des verwendeten Cache-TAG-RAM hierfür eine wichtige Rolle

Die Mainboard-Hersteller versuchen an diesem Chip ein paar Mark zu sparen und verwenden oftmals nur einen mit einer Breite von 8 Bit, was somit wieder zu einer maximalen Cacheable-Area von 64 Mbyte führt Üblicherweise sind ein 10 Bit breites TAG-RAM für 256 Mbyte und eines mit 11 Bit für die 512 Mbyte notwendig In einigen Fällen, so bei einigen Mainboards der Firma Gigabyte, ist allerdings ein

»breiteres« TAG-RAM nachrüstbar

Wie die folgende Tabelle zeigt, sind einige Mainboards in der Lage, mit einem Systemtakt von 75 oder sogar 83 MHz (Aladin von ALI) zu arbeiten und nicht nur mit 66 MHz, wie es bei Intel-Boards für den Pentium (Sockel 7) üblich ist

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Southbridge und Northbridge

Die beiden wichtigen Bausteine eines Chipsets werden allgemein als Northbridge (System Controller) und Southbridge (Peripheral Controller) bezeichnet Ersterer enthält die direkten Schaltungseinheiten für die CPU (Cache-, DRAM-Controller, Data Paths), während die Southbridge die weiteren Peripherieelemente (PCI-ISA-Bridge, Interrupt- und DMA-Controller, Real Time Clock, EIDE- und USB-Controller)

beher-○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

bergt.

Aladdin IV+ Aladdin V

Northbridge

Data Path Unit im AMD-640 im M1531 im M1541 EQ82C6617 im 5581 im 5587

im M1541

Kbyte Kbyte

ja

(ISA, EIDE,

USB)

Fortsetzung der Tabelle:

Controller

Northbridge

Data Path Unit im VT82C595 VT82C587VP im VT82C597 im VT82C598 PC82C438VX+

Speicher

Max Cacheable 512 Mbyte 512 Mbyte 512 Mbyte 512 Mbyte 512 Mbyte Area

Southbridge VT82C586A VT82C586A VT82C586B VT82C586B PC82C371USB (ISA, EIDE, USB)

Tabelle 6.28: Kenndaten von Pentium-Chipsätzen für den Sockel Nr 7 unterschiedlicher Hersteller

Ein höherer Systemtakt als 66 MHz ist nicht unproblematisch, denn unter Umstän-den wird dadurch der PCI-Bus, der mit 33 MHz (Systemtakt/2) spezifiziert ist, zu hoch getaktet (37,5 MHz, bzw 41,5 MHz), wodurch einige PCI-Karten dann nicht mehr funktionieren wie beispielsweise der SCSI-Hostadapter 2940U(W) der Firma Adaptec Aus diesem Grund ist bei einigen Chipsets keine »feste« Kopplung zwi-schen System- und PCI-Bustakt implementiert worden, wobei zwei unterschiedli-che Verfahren angewendet werden

Entweder arbeitet der PCI-Bus asynchron zum Systemtakt, wie es zum Beispiel beim VIA-Apollo-VPX-Chipsatz der Fall ist, oder es erfolgt bei der Verwendung ei-nes Taktes von 75 oder 83 MHz eine Teilung durch den Faktor 2,5, wie es etwa bei dem Chipsatz Aladdin 4+ der Firma ALI praktiziert wird Dann läuft der PCI-Bus mit einem Takt von 30 bzw 33,2 MHz Die Verwendung eines Systemtaktes von 75 MHz führt somit einerseits zu einem Geschwindigkeitszuwachs der Mainboard-Elektro-nik (CPU, DRAM, Cache usw.), andererseits aber zu einem Geschwindigkeitsverlust beim PCI-Bus