Bussysteme, Interrupts, Grafikkarte

Adressbus, Datenbus und Steuerbus:

Der Adressbus, der Datenbus und der Steuerbus gehören in einem PC-System zum sogenannten Systembus. Dieser Systembus verbindet sämtliche Komponenten eines PC-Systems miteinander. Das wesentliche Bauteil ist der Chipsatz, bestehend aus North- und Southbridge. Diese Komponenten sind grundsätzlich für die Kommunikation und Steuerung aller Komponenten zuständig.

Northbridge mit Passivkühlung

Northbridge mit Passivkühlung

Die Northbridge (bzw. FSB, QPI, HT) arbeitet mit dem vollen Systemtakt (z.B. 100 oder 133 MHz) und wird daher sehr heiß und muss gekühlt werden. Grundsätzlich ist eine passive Kühlung, also ein einfacher Kühlkörper aus Alublech (lackiert für zusätzliche Leitfähigkeit) mit Kühlritzen (zur Vergrößerung der Fläche und der Luftzirkulation) mit aufgesetztem Lüfter (nur im Gaming-Bereich) notwendig. Eine auf der CPU untergebrachte Northbridge (QPI, HT) wird über den Prozessor mitgekühlt. (Weitere Namen für die Northbridge wären MHC = Memory Host Controller oder MCH = Memory Controlled Hub.)

Intel 6321ESB Southbridge

Intel 6321ESB Southbridge

Die Southbridge ist für die Kommunikation aller Geräte zuständig. die nicht im vollen Systemtakt arbeiten, also z.B. PCI-Bus, PCIe-Bus, USB, SATA, Firewire, Thunderbolt usw. Sie muss normalerweise nicht gekühlt werden und trägt keinen Kühlkörper.

(Weitere Namen für die Southbridge wären z.B. IHC = I/O Host Controller bzw. ICH = I/O Controlled Hub.)

Das heißt, der Chipsatz ist das Basiselement für die Steuerung eines PC-Systems. Die Einteilung für die Adress-, Daten- und Steuerbusse sieht schematisch wie folgt aus:

Bussystem

  • Die CPU sendet über den Adressbus ein Signal an die Schnittstelle, die angesprochen werden soll
  • Die CPU sendet über den Steuerbus das Signal, ob die Schnittstelle (RAM, ROM etc.) lesen oder schreiben soll (wird auf READ oder WRITE gesetzt)
  • Die CPU sendet/empfängt Daten über den Datenbus, je nach Schnittstelle
  • Da es hier nur um die internen Vorgänge geht, handelt es sich bei ROM z.B. um den CMOS-ROM, und nicht etwa um Massespeicher wie die CD-ROM
  • INPUT und OUTPUT sind Schnittstellen wie USB, Firewire, PS/2, PCIe, SATA etc., wobei INPUT Daten von Eingabegeräten wie Maus und Tastatur liefert, und OUTPUT Daten an Ausgabegeräte wie Grafikkarte, Soundkarte etc. liefert

Der Adressbus arbeitet ausschließlich unidirektional, das heißt er kommuniziert nur in eine Richtung.

Der Datenbus hingegen kann, je nach angesprochenem Bauteil, sowohl lesend als auch schreibend auf das Bauteil zugreifen. Das heißt, er ist bidirektional.

Der Steuerbus regelt den entweder lesenden oder schreibenden Zugriff, er spricht also das gerade benötigte Bauteil zeitgerecht (=nacheinander) an.

Die Steuerung dieser Bussysteme wird sozusagen vom Chipsatz als Moderator übernommen.

Interrupts

IRQ Channels. 2 und 9 sind für die Verbindung der beiden Controller reserviert.

IRQ Channels. 2 und 9 sind für die Verbindung der beiden Controller reserviert.

Um solche Steueraufgaben sinnvoll übernehmen zu können, sind sogenannte Interrupts (IRQ = Interrupt Request) notwendig. Das heißt, die CPU muss ihre momentane Tätigkeit, z.B. das Rendern eines Bildes oder Videos unterbrechen können, um z.B. die Bewegungen der Maus oder Tastatureingaben auf dem Monitor abbilden zu können.

Historischerweise gibt es 16 Interruptleitungen, welche in der Tat auf dem Mainboard fest verdrahtet waren. Die Interruptsteuerung wurde von zwei IRQ-Controllern übernommen. Jedem Controller unterlagen 8 Leitungen:
Controller 1: Leitung 0-7
Controller 2: Leitung 8-15

Diese Interrupt-Leitungen wären für heutige PC-Systeme zu wenig. Die benötigten Interruptleitungen würden von den heutigen Mainboards mit den entsprechenden Controllern virtualisiert werden. Der PCI-Host-Controller beispielsweise würde die Leitung 10 belegen und sie virtuell in vier einzelne Interrupt-Leitungen für die vier PCI-Ports auf dem Mainboard unterteilen.

Grafikkarte

Ein weiteres Element, welches ebenfalls von der Northbridge gesteuert wird, ist die Grafikkarte. Der Slot (meist AGP oder PCIe) taktet ebenfalls mit Systemtakt. Die Grafikkarte selbst hat einen eigenen Prozessor (RISC) und ist für die Bildschirmausgabe verantwortlich.

An früheren Tagen, als der AGP-Standard bei den Grafikkarten noch relevant war, konnte die Datenübertragungsleistung und der Speicherbedarf wie folgt berechnet werden.
Der AGP-Bus war mit einer Datenbreite von 32 bit und einer Taktfrequenz von 66 MHz spezifiziert. Das heißt, die Datenübertragungsbandbreite berechnete sich wie folgt:

32 bit = 4 Byte, daraus folgt:
66,6 MHz * 4 Byte = 266 MB/s

Beim AGP 2-fach Standard wurden bereits der Systemtakt von 133 MHz und die Datenübertragung an der steigenden und fallenden Taktflanken miteinbezogen:

133 MHz * 4 Byte * 2 = 532 MB/s

Bei AGP 4-fach sind das 133 MHz * 4 Byte * 4 = 1064 MB/s,
bei AGP 8-fach entsprechend 2133 MB/s.

Abgelöst wurde der AGP-Standard vom PCIe-Standard. Grundsätzlich sei dazu zu sagen, dass der PCIe-Standard nicht allein für Grafikkarten ist, sondern auch für andere Geräte wie z.B. RAID-Controller, Netzwerkkarten und alle, die diesen Standard benutzen, allerdings im Regelfall nicht mit der Datenübertragungsbandbreite und Datenbusbreite.

 

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