1.4.1.6    Der Chipsatz (Das Chipset)

Welcher Faktor bestimmt im wesentlichen die Leistungsfähigkeit eines Computer? Eine wichtige Frage, die sich nicht mit Prozessortakt, Arbeitsspeicher oder Festplattengröße beantworten läßt.

Wenn man ein Computersystem auf seine einzelnen Komponenten herunterbricht, dann kommt man sehr schnell auf einen Baustein an den man im ersten Moment nicht denkt: das Motherboard, Mainboard oder auch Hauptplatine genannt. Es ist die Platine, auf der ausnahmslos alles angeschlossen ist, was sich in einem Computer-Gehäuse oder auch ausserhalb befindet.

Zentrales Bauelement auf dem Motherboard ist der Chipsatz (Chipset), der sich im Laufe der Zeit von vielen einzelnen Bauteilen in einige wenige hoch integrierte 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 das alle Komponenten über ihre eigenen 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, Bussystem(PCI, ISA), sowie den Schnittstellen(EIDE, AGP, USB). Haben der Chipsatz- oder Motherboard-Hersteller bei der Entwicklung geschlampt, kann das zu deutlichen Leistungseinbusen des gesamten Computersystems führen. Da spielt der Prozessortakt und der achso schnelle Speicher keine Rolle mehr. Was der Chipsatz nicht leistet, das können andere Komponenten nur schwer wieder an Leistung beisteuern. Der Chipsatz wird über die Einstellungen im BIOS konfiguriert. In Abhängigkeit von Chipsatz, Arbeitsspeicher, und Prozessor können hier unterschiedliche Einstellungen deutliche Leistungsunterschiede auslösen.

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 herstellerabhänig. Bausteine, die im Chipsatz fehlen, kann der Motherboard-Hersteller zusätzlich auf der Platine einbauen. Wenn das nicht ausreicht läßt sich ein System durch Erweiterungskarten mit Schnittstellen aufrüsten.

Auf dem Foto sehen Sie links den Prozessor Pentium 4 von Intel abgebildet. Zum Vergleich sehen Sie unten den MCH und oben den ICH2 aus der Chipsatz-Serie i8xx von Intel. Durch den Größenvergleich kann man ungefähr abschätzen, was der Chipsatz leisten muß.

Chipsatz-Architektur: North-Bridge & South-Bridge

Die klassische Chipsatz-Architektur besteht ganz grob gesehen aus zwei Bausteinen: die North-Bridge und die South-Bridge. Die Bezeichnung ergibt sich aus der Anordung innerhalb der Prinzipschaltung. Sieht man diese Schaltung 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 ist die zentrale Komponente, die den Datenfluß zwischen Prozessor (CPU), Arbeitsspeicher und Peripherie steuert. Der Prozessor ist über den Front-Side-Bus (FSB) an die North-Bridge angebunden. 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 Grafikkarte in AGP-Variante und mit eigener Schnittstelle fest mit der North-Bridge verbunden.

Der Arbeitsspeicher ist ebenfalls an die North-Bridge angebunden. Im Optimalfall arbeitet die Anbindung von Prozessor und Arbeitsspeicher mit der selben Geschwindigkeit. Das entlastet die North-Bridge vor der aufwendigen Konvertierung von Datenworten und führt nicht zu Verzögerungen beim Datentransfer.

Zweiter Teil des Chipsatztes 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 Spannungspegel, Datenformate, Protokolle und Taktfrequenzen. Auch das System-BIOS mit seinem Flash-ROM ist hier angeordnet (über ISA).

Chipsatz-Architektur: Hub-Architektur

Mit den Chipsätzen der Baureihe i8xx führte Intel eine neue Struktur, die Hub-Architektur zur Verknüpfung der einzelnen Chipsatz-Komponenten ein. Intel war in dieser Richtung schon sehr früh innovativ. Andere Chipsatz-Hersteller sind kurze Zeit darauf mit Eigenentwicklungen nachgezogen und haben ähnliche Strukturen eingeführt. Der Grund war, das die alte Bridge-Architektur mit dem PCI-Bus als Verbindung zwischen North- und South-Bridge sich als Nadelör entwickelt hat. Die immer schneller werdenden Prozessoren, Arbeitsspeicher und Festplatten wurden durch den internen PCI-Bus ausgebremst. Die Daten konnten nicht schnell genug an den Ort eines Computersystems übertragen werden, wie es theoretisch notwendig gewesen wäre.

Da nicht alle Hub-Architekturen aller Hersteller berücksichtigt werden können, wird hier exemplarisch der Intel-Chipsatz (i8xx-Serie) beschrieben. Die Chipsätze andere Hersteller sind jedoch ähnlich aufgebaut.

Vergleicht man die Hub-Architektur mit der Bridge-Architektur, dann übernimmt der Memory Controller Hub (MCH) die Funktion der North-Bridge. Hier läuft das Interface des Prozessors (FSB), des Arbeitsspeichers und des AGPs zusammen. Statt des MCH gibt es auch einen Graphics Memory Controller Hub (GMCH). Dieser hat keine Unterstützung für den AGP. Dafür aber einen eingebauten Grafikchip, der die Grafikkarte ersetzt.

Als interne Verbindung gibt es nicht mehr den PCI-Bus, sondern Hub Interface. Über diese Schnittstelle lassen sich weitere Controller Hubs untereinander verbinden. Z. B. läßt sich ein PCI64-Hub an den MCH anbinden, der Sltos für 33 MHz- oder 66 MHz-PCI zu Verfügung stellt. Über ein weiteres Hub Interface wird er I/O Controller Hub (ICH) an den MCH angeschaltet. Der ICH übernimmt die Aufgaben der South-Bridge, stellt aber nur die Schnittstellen zu Verfügung, die Intel in das moderne PC-Konzept paßt. Dinge, wie Floppy, serielle und parallele Schnittstelle werden nur über einen weiteren Super-I/O-Baustein möglich. Diese "alten" Schnittstellen sandern in den "Legacy Port Controller" (LPC). Sie sind die letzten Verbindungen in die alte PC-Welt.

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 separate Funktionseinheit. Diese nennt sich Firmware Hub (FWH) und hängt am ICH dran.

Obwohl die Hub-Architektur technisch modern und modular aufgebaut ist, sind ICH und Arbeitsspeicher über den SMB verbunden. Auch der Prozessor hat noch seine Interrupt-Leitungen zum I/O Controller Hub (ICH).

Die Verbindung zwischen North-Bridge und South-Bridge bestimmt die Geschwindigkeit mit der die Daten von Peripherie-Geräten zum Prozessor und in den Arbeitsspeicher kommen. Die ursprüngliche PCI-Verbindung wurde von den Chipsatz-Herstellern durch schnellere Verbindungen abgelöst: