南北桥连接技术漫谈

张义春 
2001年 40期

　　南北桥结构是历史悠久而且相当流行的主板芯片组架构。采用南北桥结构的主板上都有两个面积比较大的芯片，靠近CPU的为北桥芯片，主要负责控制AGP显卡、内存与CPU之间的数据交换；靠近PCI槽的为南桥芯片，主要负责软驱、硬盘、键盘以及附加卡的数据交换。传统的南北桥架构是通过PCI总线来连接的，常用的PCI总线是33.3MHz工作频率，32bit传输位宽，所以理论最高数据传输率仅为133MB/s。由于PCI总线的共享性，当子系统及其它周边设备传输速率不断提高以后，主板南北桥之间偏低的数据传输率就逐渐成为影响系统整体性能发挥的瓶颈。因此，从英特尔i810开始，芯片组厂商都开始寻求一种能够提高南北桥连接带宽的解决方案。
　　#1　　Intel：AHA加速中心架构
　　　　英特尔的加速中心架构（Accelerated Hub Architecture，缩写AHA）首次出现在它的著名整合芯片组i810中。在i810芯片组中，英特尔一改过去经典的南北桥构架，采用了新的加速中心构架。加速中心架构由相当于传统北桥芯片的GMCH（Graphics & Memory Controller Hub，图形/存储器控制中心）和相当于传统南桥芯片的ICH（I/O Controller Hub，I/O控制中心），以及新增的FWH（Firmware Hub，固件控制器，相当于传统体系结构中的BIOS ROM）共3块芯片构成。
　　　　在这种新的加速中心架构中，两块芯片不是通过PCI总线进行连接，而是利用能提供两倍于PCI总线带宽的专用总线。这样，每种设备包括PCI总线都可以与CPU直接通讯，Intel 810芯片组中的内存控制器和图形控制器也可以使用一条8bit的133MHz“2×模式”总线，使得数据带宽达到266MB/s，它的后续芯片组i8xx也大多采用这种架构。
　　　　这种体系其实跟南北桥架构相差不大，它主要是把PCI控制部分从北桥中剥离出来（北桥成为GMCH），由ICH负责PCI以及其它以前南桥负责的功能，而ICH也采用了加速中心架构，在图形卡和内存与整合的AC’97 控制器、IDE控制器、双USB端口和PCI 附加卡之间建立一个直接的连接。由于英特尔中心架构提供了每秒266 MB的PCI带宽，这使得I/O控制器和内存控制器之间可以传输更多更丰富的信息；再加上优化了仲裁规则，系统可以同时进行更多的线程，从而实现了较为明显的性能提升。在GMCH与ICH之间的传输速率则达到了8位133MHz DDR（等效于266MHz，266MB/s），它使得PCI总线、USB总线以及IDE通道与系统内存和处理器之间的带宽有较大的增进。
　　　　当然，由于两个Hub之间只有一个通道，所以一个时间内只能有一个设备传输数据，这些设备还包括了PCI总线上的设备，而PCI总线上的设备其最大的数据传输率仍为133MB/s。所以从某种程度而言，Intel目前的解决方案并非完美。因此，英特尔也在寻求一种新的解决方案，那就是3GIO（Third Generation Input/Output，第三代输入输出）技术。3GIO也称为Arahahoe和串行PCI技术，是英特尔开发的未来技术，提供高带宽、高速度连接计算机子系统和I/O周边设备
　　　　编注：关于3GIO技术的详细介绍，请参阅本报今年38期C1版《未来的高速总线：3GIO》一文。
　　#1　　VIA：V-Link桥接技术
　　　　VIA也推出了效能相近的V-Link技术。这项技术首次出现在它的DDR芯片组VIA Apollo Pro266中。在架构上，Pro266还是遵循传统的南北桥结构，由VT8633北桥和VT8233南桥组成。但是和以往的结构不同，VIA在南北桥的通信方面舍弃了传统的PCI总线，转而使用自己研发的V-Link加速中心架构。在V-Link架构中，PCI总线成了南桥的下游，成为与IDE通道、AC’97 Link、USB、I/O平等的连接。
　　　　V-Link总线仍是一种PCI式的32位总线，但运行频率从原来的33MHz提升到了66MHz，这样南北桥之间的带宽就提升到了266MHz，与传统PCI总线133MHz的带宽相比，可以说是成倍的增长。由于以往PCI总线的带宽大部分被IDE设备所占用，因此南北桥之间的通信速度得不到保障，一定程度上影响了系统性能的发挥，尤其是在IDE传输任务繁重的场合。V-Link技术将南北桥通信从繁忙的PCI总线中独立出来，这就有效地保证了芯片组内部信息传递的迅速和完整，对系统性能的提升有一定的帮助。在以后的发展规划中，VIA有意将V-Link的频率进一步提升到133MHz，这样其带宽在原来基础上又增加一倍，将达到533MHz。
　　　　除上述带宽提升技术外，VIA还设计了最新一代结构体系标准——HDIT（High-Bandwidth Differential Interconnect Technology，高带宽互连技术）。HDIT结构为广大系统OEM（原始设备制造商）提供了一种极具性价比和高度灵活的芯片基线设计平台。在当今主流桌面和移动PC的设计中，HDIT允许把诸如DDR 266内存接口、AGP 4×、533MB/s V-Link总线等一些先进的技术规范和标准同高度集成的HDIT南桥芯片结合在一起；而在要求灵活性很大的工作站及服务器的设计中，可通过对HDIT工作模式的设定来实现HDIT北桥芯片中内存界面和AGP端口配置的最佳效果，从而获得双倍甚至四倍的内存数据带宽，其带宽最高可达4.2GB/s。
　　#1　　SiS：MuTIOL架构
　　　　矽统的Multi-Threaded I/O Link（简称MuTIOL）架构首次出现在它的SiS635芯片组中。虽然矽统把它当作单芯片结构，但在SiS635内部还是有“南北”之分的。在SiS630s及以前的单芯片组中，也是用PCI总线作为南北连接数据通道，而同样是为了解决带宽问题，矽统引入了Multi-Threaded I/O Link架构如^40030901a^。
　　　　从图中可以看到，Multi-Threaded I/O Link负责了8个设备的数据传输，它们是：PCI总线（其上的所有设备对Multi-Threaded I/O Link来说就是一个设备）、第一IDE通道、第二IDE通道、第一USB通道、第二USB通道、AC’97音频、V.90软Modem、媒介访问控制器（MAC，Media Access Controller，主要为以太网数据传输服务）。在具体设计上，Multi-Threaded I/O Link其实就是8条独立的数据管道，每条管道的工作频率是33.3MHz，传输数据位宽为32bit，这样一条管道就相当于一条32位PCI总线的带宽133MB/s，8条的总和是1.2GB/s，这就是为什么带宽能超过1GB/s的原因。与Intel和VIA的Link通道相比，总带宽明显提高，但具体到每条管道上，则不如Link通道的266MB/s，也就是说每个设备最高传输率仍限制在133MB/s，而且除了IDE以外，其他设备都是低速率设备，133MB/s的独享带宽对它们的意义并不是太大。
　　　　然而，分立通道设计也有其缺点。PCI总线与Hub Link或V-Link通道之所以一个时间内只允许一个设备传输数据，是因为只有一条线路，而且传输时采用的频率固定。如果采用分立的通道则可以较好地解决这个问题，虽然在DMA的内存一端，一个时间还是只能为一个设备服务，但服务完后不必等待总线清空，即可立即为下一个设备服务，而其他设备（可以是一个或多个）的数据请求可不干扰当前设备的工作而发送至内存控制端（相信会有一个针对这8个设备的队列寄存器来对任务进行排序），在数据传输完后立刻执行下一任务，从而有助缩短设备和系统的等待与延迟时间，变相提高了每一设备的数据传输率。从这一点来说，Multi-Threaded I/O Link的设计对多任务操作有利。
　　#1　　AMD：HyperTransport总线
　　　　在如何连接南北桥芯片，使IDE磁盘效能得以充分发挥的问题上，AMD也制订出了一种能适用于各种高速芯片组之间的传输界面，这就是LDT（Lightning Data Transport），2001年2月改名为HyperTransport。
　　　　HyperTransport技术由AMD在今年4月首次公布，得到了包括NVIDIA、ALi在内的多家著名厂商的支持。该技术旨在提高各种IC芯片（包括PC， PDA等诸多方面）的数据传输速率，目前它的带宽已达到12.8GB/s，其传输速度是现有PCI技术的96倍以上。
　　　　HyperTransport是由两条点对点的单向数据传输路径组成（一条为输入、一条为输出）。两条单向传输路径的数据带宽是可以根据数据量的大小而弹性改变，最低的有2bit，可以调节为4bit、8bit、16bit、32bit，HyperTransport是运行在400MHz的时钟频率下的，但是使用的是与DDR相同的双钟频触发技术，所以在400MHz的额定频率下数据传输率最高可达800MB/s。不过HyperTransport还有一大特色就是当数据资料宽度为非32bit（4Byte）时，可以用分批传输数据来达到32bit相同的效果，比如说16bit的数据就分两批传输，在使用8bit数据时就分4批传送，这种分包传输数据的方法，给了HyperTransport更大的弹性空间，最小4Byte，最大64Byte。对资料快速传输带来了很大的改良，提高了系统数据处理性能。
　　　　HyperTransport除了可以将芯片间的数据高速传输之外，它还具有“封包传输技术（Packet-Based）”、“双条单向数据流及点对点的数据连接方式”、“弹性数据带宽”等特性。使用HyperTransport总线，可以改善系统数据传输的瓶颈，可以为系统设计人员制造更高效能的系统设备提供基础，真正的加快整个系统的运行效能。
　　　　HyperTransport技术在芯片组上的首次运用出现在NVIDIA的系统芯片组处女作nForce上面。nForce芯片组由北桥芯片Integrated Graphics Processor （IGP）与南桥芯片Media and Communications Processor （MCP）组成。而HyperTransport总线对于NVIDIA的nForce芯片组体系来说，其作用就是把MCP、IGP以及CPU连接起来。在南北桥之间，nForce通过一个同步的8位高速数据总线，在不增加更多引脚的同时，获得IGP与MCP之间800MB/s的巨大数据带宽。虽然从数值上来看，要低于矽统的Multi-Threaded I/O Link架构，但由HyperTransport双条单向数据流技术特性所决定，它的带宽增益也颇为引人注目，相信至少能够满足两三年以内的外设需要了。
　　    四种连接技术比较表（见^40030901b^） 
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