Kundenmeinung: Die Computertechnik-Fibel ist wirklich verständlich geschrieben, frei von Ballast und ein tolles Nachschlagewerk. Insgesamt ein sehr empfehlenswertes Buch.
Das zentrale Element auf dem Motherboard ist der Chipsatz (engl. Chipset), der sich im Laufe der Zeit von vielen einzelnen Bausteinen zu einigen wenigen, dafür hoch integrierten Schaltungen entwickelt hat. Der Chipsatz ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers. Egal was in einem Computer passiert, der Chipsatz hat immer damit zu tun. Er sorgt dafür, dass alle Komponenten über ihre Schnittstellen miteinander kommunizieren können. Dabei werden unterschiedliche Spannungspegel, Taktfrequenzen und Protokolle berücksichtigt und untereinander umgewandelt.
Der Chipsatz hat großen Einfluss auf die gesamte Rechnerleistung. Er steuert das Zusammenspiel und den Datenfluss zwischen dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher, den Bussystemen, sowie den internen und externen Schnittstellen.
Der Chipsatz wird über die Einstellungen im BIOS konfiguriert. In Abhängigkeit von Chipsatz, Arbeitsspeicher, und Prozessor können hier unterschiedliche Einstellungen deutliche Leistungsunterschiede auslösen. Hat der Chipsatz- oder Motherboard-Hersteller bei der Entwicklung geschlampt, kann das zu deutlichen Leistungseinbußen des gesamten Systems führen. Da spielt der Prozessortakt und der ach so schnelle Speicher keine Rolle mehr. Was der Chipsatz nicht leistet, das können andere Komponenten nur schwer wieder an Leistung beisteuern.
Generell können die Chipsätze der unterschiedlichen Hersteller Leistungsunterschiede von bis zu 10% haben. Zudem legt der Chipsatz fest, welche Komponenten im Computersystem verwendet werden können. Welche Komponenten der Chipsatz unterstützt ist herstellerabhängig. Bausteine, die im Chipsatz fehlen, kann der Motherboard-Hersteller zusätzlich auf dem Motherboard einbauen. Wenn das nicht ausreicht, lässt sich ein System durch Erweiterungskarten aufrüsten.
Chipsätze gibt es von den Prozessor-Herstellern, die möglichst optimale Bedingungen für ihre Prozessoren schaffen wollen. So wollen sie ihren Prozessoren eine Arbeitsumgebung bieten, in denen Ihre Leistungsfähigkeit voll zur Geltung kommt. Aber, es gibt auch noch andere Chipsatz-Hersteller. Doch die agieren meist im Low-Cost-Bereich oder entwickeln Chipsätze für Spezialanwendungen.
Chipsatz-Architektur
Der Chipsatz besteht aus mehreren einzelnen Chips, die die verschiedenen Elemente eines Computers auf logischer und physikalischer Ebene miteinander verbinden. Die klassische Chipsatz-Architektur besteht grob gesehen aus zwei Bausteinen. Der eine kümmert sich um die Kommunikation zwischen Hauptprozessor (CPU), Arbeitsspeicher und Grafikkarte. Eine Verbindung zum zweiten Baustein bindet alle anderen Komponenten über Schnittstellen ins System ein.
Im Laufe der Zeit entstanden verschiedene Chipsatz-Architekturen. Die Veränderungen an der Architektur hatten vor allem die Erhöhung der Systemgeschwindigkeit zur Folge. Weil der Hauptprozessor immer leistungsfähiger wurde musste die Geschwindigkeit der Peripherie immer wieder angepasst werden. Deshalb wurden nicht nur die Bussysteme und Schnittstellen schneller, sondern auch die Anbindung der Schnittstellen-Controller an den Chipsatz.
Chipsatz: "TTL-Grab"
Zu Zeiten des 386er-Prozessor bestand der Chipsatz aus vielen einzelnen Bausteinen. Aus der damaligen Zeit stammt auch der Name "Chipsatz". Damals kamen hauptsächlich Chips in Dual-Inline-Gehäusen (DIL) zum Einsatz, die jeweils nur wenige Funktionen enthielten. Aufgrund der Menge an Chips, basierend auf der TTL-Schaltkreisfamilie, entstand die Bezeichnung TTL-Grab. Denn die Chips waren dicht an dicht auf dem Motherboard angeordnet. Festplatten-Hostadapter und externe Schnittstellen waren als separate Erweiterungskarten ausgeführt.
Fortschritte in der Halbleitertechnik führten zu einer Integration von mehr Funktionen in ein einzelnes Bauelement.
Chipsatz: Bridge-Architektur (North- und South-Bridge)
Mit steigender Integrationsdichte wurden wichtige und häufig genutzte Schnittstellen in den Chipsatz integriert. So entstand die Aufteilung in zwei Chips. Sieht man die prinzipielle Verschaltung des Chipsatzes als Landkarte, so befindet sich die North-Bridge im Norden und die South-Bridge im Süden. Die Bezeichnungen stammen ursprünglich von Intel.
Die North-Bridge spielt eine entscheidende Rolle. Dort wird der Datenfluss zwischen Prozessor (CPU), dem Arbeitsspeicher (RAM), der Grafikkarte (GPU) und dem Peripherie-Bus gesteuert. Über den Peripherie-Bus lässt sich ein Computer mit Steckkarten um Schnittstellen und Controller erweitert.
Der Prozessor ist über den Front-Side-Bus (FSB) mit der North-Bridge verbunden. Der AGP-Port ist die Schnittstelle für eine Grafikkarte. Ursprünglich war die Grafikkarte in einem PCI-Steckplatz eingesteckt. Um den Datenfluss auf dem PCI-Bus zu entlasten, wurde die Grafikkarte mit einer eigenen Schnittstelle (AGP) fest mit der North-Bridge verbunden.
Der Arbeitsspeicher ist ebenfalls mit der North-Bridge verbunden. Im Optimalfall arbeitet die Anbindung von Prozessor und Arbeitsspeicher mit der selben Geschwindigkeit. Das entlastet die North-Bridge vor der aufwendigen Konvertierung und verringert Verzögerungen beim Datentransfer.
Zweiter Teil des Chipsatzes ist die South-Bridge, die mit der North-Bridge über den PCI-Bus verbunden ist. Am PCI-Bus befinden sich noch weitere Slots, über die sich Erweiterungskarten einstecken lassen. Obwohl die South-Bridge hauptsächlich für die Steuerung der Peripherie-Schnittstellen zuständig ist, hat sie trotzdem Verbindung über Interrupt-Leitungen zum Prozessor und über den SMB zum Arbeitsspeicher. Um auch alte ISA-Steckkarten zu unterstützen, hat die South-Bridge eine integrierte ISA-Bridge, über die die ISA-Slots angesprochen werden.
Für die Peripherie-Schnittstellen übernimmt die South-Bridge die Wandlung von Spannungspegeln, Datenformaten, Protokollen und Taktfrequenzen. Auch das System-BIOS mit seinem Flash-ROM ist hier eingebunden.
Chipsatz: Hub-Architektur
Mit dieser Architektur wollte Intel gleich eine neue PC-Generation einführen. Der Grund für eine neue Architektur war die langsame Verbindung zwischen North- und South-Bridge. Der langsame PCI-Bus hatte sich zum Nadelöhr entwickelt. Die immer schneller arbeitenden Prozessoren wurden durch die Anbindung der Peripherie ausgebremst. Die Daten konnten nicht schnell genug innerhalb des Computersystems übertragen werden. Zur Lösung des Problems wollte Intel als Chipsatz-Hersteller Einfluss auf den Markt nehmen, um den eigenen Prozessoren eine bessere Arbeitsumgebung zu bieten.
Weil Intel als erster mit der Hub-Architektur aktiv war, wird hier exemplarisch die Hub-Architektur von Intel beschreiben. Die Chipsätze andere Hersteller sind ähnlich aufgebaut. Nur die Funktionseinheiten haben andere Bezeichnungen.
Obwohl die Hub-Architektur Ähnlichkeit mit der Bridge-Architektur hat, haben sich einige Dinge geändert. Die Aufteilung auf mindestens zwei Chips, sowie die Zuständigkeit sind im wesentlichen gleich geblieben. Der Memory Controller Hub (MCH) hat die Funktion der North-Bridge. Hier laufen Prozessor, Arbeitsspeicher und die Grafikkarte zusammen. Statt des MCH gibt es auch einen Graphics Memory Controller Hub (GMCH). Hier ist die Funktion der Grafikkarte in den Chipsatz integriert.
Als interne Verbindung zwischen North- und South-Bridge dient nicht mehr der langsame PCI-Bus, sondern ein Hub Interface. Es handelt sich dabei um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Mit diesem Interface lassen sich weitere Controller Hubs untereinander verbinden. Z. B. lässt sich ein PCI-Hub an den MCH anbinden, der Steckplätze für den PCI-Bus zur Verfügung stellt. Spätere MCHs verfügen über Direktverbindungen zu PCI-Express-Steckplätzen.
In dieser Architektur ist die South-Bridge eine Verlängerung der North-Bridge, um alle internen und externen Schnittstellen und Bussysteme schneller an die North-Bridge anzubinden. Der PCI-Bus und die EIDE/ATA-Schnittstellen werden direkt aus dem ICH herausgeführt. ISA-Steckplätze müssen über einen zusätzlichen Chip (PCI-to-ISA-Bridge) angebastelt werden. Weil der ISA-Bus nur noch über diesen Zusatzbaustein unterstützt wird, muss das BIOS in eine eigene Funktionseinheit. Diese nennt sich Firmware Hub (FWH) und ist am ICH angebunden.
Bei der Einführung der Hub Architektur wollte Intel gleich auf alte Schnittstellen verzichten. Darunter die serielle und parallele Schnittstelle. Und auch die Schnittstelle für Floppy (Disketten) und die PS/2-Schnittstelle für Tastatur und Maus sollten nur noch aus Kompatibilitätsgründen zur Verfügung stehen. Dafür gab es einen eigenen Super-I/O-Baustein, den Legacy Port Controller (LPC), der an den I/O Controller Hub angebunden wurde.
Obwohl die Hub-Architektur modular aufgebaut ist, sind ICH und Arbeitsspeicher über den SMB verbunden. Auch zwischen Prozessor und I/O Controller Hub (ICH) gibt es direkte Interrupt-Leitungen.
Chipsatz: Erweiterte Hub-Architektur
In der erweiterten Hub-Architektur verliert der Chipsatz langsam an Bedeutung. Die Anbindung von Grafikkarte und Arbeitsspeicher sind immer wieder der Flaschenhals eines Computers. Insbesondere der schnelle Zugriff auf den Arbeitsspeicher entscheidet darüber, ob ein Prozessor seine Leistungsfähigkeit voll ausspielen kann, oder nicht. Weil der Prozessor-Hersteller AMD hier immer etwas im Rückstand war, hat AMD den Speicher-Controller, eigentlich Aufgabe des Chipsatzes, direkt in den Prozessor integriert. Neben der Verbindung zum Chipsatz wird aus dem Prozessor auch die Verbindung direkt zum Arbeitsspeicher herausgeführt. Auf diese Weise spart der Prozessor den Umweg über den Chipsatz, wenn er auf den Speicher zugreift. Der Vorteil, der Zugriff auf den Arbeitsspeicher wird um einige Takte verkürzt. In Mehrprozessor-Systemen bekommt jeder Prozessor seinen eigenen lokalen Speicher.
Je nach Chipsatz und Hersteller wird gleich auf die Aufteilung in zwei Chips verzichtet und alle Schnittstellen und ihre Steuerung in einen einzigen Baustein integriert.
Die weiterhin zunehmende Bedeutung der Grafikleistung eines Computers führt zu dem Effekt, dass auch die Grafikkarte direkt an den Prozessor angebunden wird.
Findest Du Elektronik-Kompendium.de gut? Hat Dir diese Webseite auch schon weitergeholfen? Willst Du uns dabei unterstützen noch bekannter und besser zu werden? Erfahre mehr über die Möglichkeiten. Jeder kann etwas tun!
Kundenmeinung: Die Kommunikationstechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht. Endlich mal ein Buch, das kurz und bündig die moderne Informationstechnik beleuchtet.
Findest Du Elektronik-Kompendium.de gut? Hat Dir diese Webseite auch schon weitergeholfen?