Chipsatz

Chipsatz-Architektur

Das zentrale Element auf einem Motherboard ist der Chipsatz (engl. Chipset). Zwar ist der Hauptprozessor das schlagende Element in einem Computer, aber der Chipsatz sorgt erst dafür, dass die verschiedenen Komponenten miteinander kommunizieren und arbeiten können. Der Chipsatz ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten eines Computers. Egal was in einem Computer passiert, der Chipsatz ist immer daran beteiligt.

Der Chipsatz ist meist nur ein Halbleiterbaustein, der viele Controller in sich vereint. Die Controller sorgen für die Anbindung von Hauptprozessor (CPU), Laufwerken, Erweiterungskarten und anderen Geräte über Schnittstellen.
Der Chipsatz sorgt dafür, dass die Controller untereinander verknüpft und mit dem Hauptprozessor verbunden sind. Dabei werden unterschiedliche Spannungspegel, Taktfrequenzen und Protokolle berücksichtigt bzw. untereinander umgewandelt.

Der Chipsatz hat großen Einfluss auf die Gesamtleistung des Computersystems. Er steuert das Zusammenspiel und den Datenfluss zwischen dem Prozessor, dem Arbeitsspeicher, den Bussystemen, sowie den Controllern der internen und externen Schnittstellen. Generell können die Chipsätze der unterschiedlichen Hersteller Leistungsunterschiede von bis zu 10% haben. Hat der Chipsatz- oder Motherboard-Hersteller bei der Entwicklung gespart, kann das zu deutlichen Leistungseinbußen des gesamten Systems führen. Was ein schneller Prozessor oder Speicher nicht ausgleichen kann.
Der Chipsatz wird über die Einstellungen im BIOS konfiguriert. In Abhängigkeit von Chipsatz, Arbeitsspeicher und Prozessor können hier unterschiedliche Einstellungen weitere deutliche Leistungsunterschiede auslösen.

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. Andere Chipsatz-Hersteller agieren meist im Low-Cost-Bereich oder entwickeln Chipsätze für Spezialanwendungen.
Die Wahl des richtigen Chipsatzes ist wichtig, weil er festlegt, welche Komponenten in einem 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. Beispielsweise für USB, SATA, Ethernet, HD Audio, I2C (SMBus), SPI und Low-Pin-Count (LPC) für einen Super-I/O-Chip, der alte Schnittstellen unterstützt. Wenn das nicht ausreicht, lässt sich ein System nur durch Erweiterungskarten aufrüsten.

Die Verbindung zwischen Hauptprozessor und Chipsatz ist oft ein abgewandelter PCI Express (PCIe). Der zentrale Teil eines Chipsatzes ist deshalb ein PCIe-Switch, der einige PCIe-Ports auf dem Motherboard für Erweiterungskarten herausführt und darüber gleichzeitig die Controller anbindet.

Chipsatz-Architektur

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 Teilen. Der eine Teil kümmert sich um die Kommunikation zwischen Hauptprozessor (CPU), Arbeitsspeicher und Grafikkarte. Der zweite Teil verbindet alle anderen Komponenten über Schnittstellen ins System ein. Lange Zeit waren beide Chipsatzteile in zwei Halbleiterbausteine aufgeteilt.

Im Laufe der Zeit entstanden verschiedene Chipsatz-Architekturen. Die Veränderungen an der Architektur hatten vor allem die Erhöhung der Systemgeschwindigkeit zur Folge. Zwangsläufig kam es dazu, dass immer mehr Funktionen und Schnittstellen in den Prozessor wanderten. Moderne Prozessoren zeichnen sich nicht nur durch eine hohe Rechenleistung, sondern auch durch eine hohe Schnittstellendichte aus.

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.
Mit zunehmender Integrationsdichte nahm die Bedeutung von Bussystemen für Erweiterungskarten ab. Schnittstellen für Massen- und Wechselspeicher, Netzwerkkarten, Soundkarten und Grafikkarten werden in den Chipsatz oder sogar in den Prozessor integriert und ein Anschluss direkt auf dem Motherboard herausgeführt. Die Fortschritte in der Halbleitertechnik führten zu einer Integration von immer mehr Funktionen in ein einzelnes Bauelement. Im Laufe der Zeit hat sich der Chipsatz von vielen einzelnen Bausteinen hin zu wenigen hoch integrierten Schaltungen entwickelt hat.

Chipsatz: Bridge-Architektur (Northbridge und Southbridge)

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 Northbridge im Norden und die Southbridge im Süden. Die Bezeichnungen stammen ursprünglich von Intel.

Chipsatz: Hub-Architektur

Chipsatz: Hub-Architektur

Mit der Hub-Architektur wollte Intel gleich eine neue PC-Generation einführen. Der Grund für eine neue Architektur war die langsame Verbindung zwischen Northbridge und Southbridge. 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 Northbridge. 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 Northbridge und Southbridge 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. Neuere MCHs verfügten auch über Direktverbindungen zu PCI-Express-Steckplätzen.
In der Hub-Architektur ist die Southbridge eine Verlängerung der Northbridge, um alle internen und externen Schnittstellen und Bussysteme schneller an die Northbridge 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.
Bei der Einführung der Hub-Architektur wollte Intel gleich auf alte Schnittstellen verzichten. Doch aus Kompatibilitätsgründen mussten sie weiterhin zur Verfügung stehen. Dafür gab es einen Super-I/O-Baustein, der über das LPC an den I/O Controller Hub angebunden wurde.
Das LPC (Low Pin Count Interface) ist ein abgespeckter ISA-Bus. LPC wird zur Anbindung des Super-I/O-Controllers oder des Trusted Platform Module (TPM). Der Super-I/O-Controller stellt PS/2- Tastatur, COM-, Infrarot- und Drucker-Schnittstellen bereit. Daran werden traditionelle Computer-Endgeräte, wie Tastatur, Maus, Drucker und Disketten-Laufwerke angeschlossen. Man bezeichnet diese Geräte auch als Legacy-Geräte, für die nahezu alle Betriebssysteme Standardtreiber mitbringen.
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

Chipsatz: Erweiterte Hub-Architektur

In der erweiterten Hub-Architektur verliert der Chipsatz langsam an Bedeutung. Die Anbindung von Grafikkarte und Arbeitsspeicher (RAM) sind immer wieder der Flaschenhals eines Computers. Insbesondere der schnelle Zugriff auf den Arbeitsspeicher entscheidet darüber, ob ein Prozessor seine Leistungsfähigkeit voll ausspielen kann. Deshalb war eine der Maßnahmen, den Speicher-Controller, eigentlich Aufgabe des Chipsatzes, direkt in den Prozessor zu integrieren. 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.
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.

Mit der Integration des Speichercontrollers und des Grafikchips in den Prozessor verliert die Northbridge an Bedeutung. Die CPU übernimmt immer mehr Aufgaben. Teile des Chipsatzes wandern in die CPU. Dazu zählen Grafikkarte, Speicher-Controller und Direktanbindung von Erweiterungskarten, insbesondere von externen Grafikkarten und Laufwerken. Nur noch einfache Schnittstellen werden über einen I/O-Chip bereitgestellt.

Übersicht: Computer

Übersicht: Computer-Architektur

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