Введение
Тип компьютерного коммуникационного интерфейса
Фронтальная шина (FSB) — это компьютерный коммуникационный интерфейс (шина), который часто использовался в компьютерах на базе чипов Intel в 1990-х и 2000-х годах. Шина EV6 выполняла ту же функцию для конкурирующих процессоров AMD. Обе шины обычно обеспечивают передачу данных между центральным процессором (CPU) и контроллером памяти, известным как северный мост. В зависимости от реализации, некоторые компьютеры могут также иметь заднюю шину, которая соединяет процессор с кэшем. Эта шина и подключенный к ней кэш работают быстрее, чем доступ к системной памяти (или оперативной памяти) через фронтальную шину. Скорость фронтальной шины часто использовалась как важный показатель производительности компьютера. Оригинальная архитектура фронтальной шины была заменена HyperTransport, Intel QuickPath Interconnect, Direct Media Interface, а в современных процессорах Intel для персональных компьютеров – Intel Ultra Path Interconnect.
История
Термин был введен корпорацией Intel примерно в то время, когда были анонсированы продукты Pentium Pro и Pentium II, в 1990-х годах. "Front side" (передняя сторона) относится к внешнему интерфейсу между процессором и остальной компьютерной системой, в отличие от "back side" (задней стороны), где шина обратной связи соединяет кэш (и, возможно, другие процессоры). Фронтальная шина (FSB) в основном используется на материнских платах для ПК (включая персональные компьютеры и серверы). Она редко применяется во встраиваемых системах или подобных компактных компьютерах. Конструкция FSB стала улучшением производительности по сравнению с одношинными системами предыдущих десятилетий, однако эти фронтальные шины иногда называют "системной шиной". Фронтальные шины обычно соединяют процессор и остальное оборудование через чипсет, который Intel реализовала в виде северного и южного мостов. Другие шины, такие как Peripheral Component Interconnect (PCI), Accelerated Graphics Port (AGP) и шины памяти, подключаются к чипсету для передачи данных между подключенными устройствами. Эти вторичные системные шины обычно работают на скоростях, производных от тактовой частоты фронтальной шины, но не обязательно синхронизированы с ней. В ответ на инициативу AMD Torrenza, Intel открыла доступ к сокету процессора FSB для устройств сторонних производителей. До этого объявления, сделанного весной 2007 года на Intel Developer Forum в Пекине, Intel строго контролировала доступ к FSB, разрешая использовать сокет только с процессорами Intel. Первым примером стали сопроцессоры на базе Field Programmable Gate Array (FPGA), разработанные в результате сотрудничества между Intel Xilinx Nallatech и Intel Altera XtremeData (поставки начались в 2008 году).
Процессор
Частота работы процессора (CPU) определяется путем умножения скорости системной шины (FSB) на тактовый множитель в некоторых случаях. Например, процессор, работающий на частоте 3200 МГц, может использовать FSB со скоростью 400 МГц. Это означает, что установлен внутренний множитель тактовой частоты (также называемый коэффициентом шины/ядра) равный 8. То есть, процессор работает с частотой, в 8 раз превышающей частоту системной шины: 400 МГц × 8 = 3200 МГц. Различные скорости процессора достигаются путем изменения частоты FSB или множителя процессора, что называется разгоном или понижением тактовой частоты.
Память
Установка скорости FSB напрямую связана со скоростью памяти, которую должна использовать система. Шина памяти соединяет северный мост и оперативную память, подобно тому, как системная шина соединяет процессор и северный мост. Зачастую эти две шины должны работать на одной и той же частоте. Увеличение системной шины до 450 МГц в большинстве случаев также означает работу памяти на частоте 450 МГц. В более новых системах можно встретить соотношения памяти, такие как "4:5". В этой ситуации память будет работать в 5/4 раза быстрее, чем FSB, то есть шина 400 МГц может работать с памятью на частоте 500 МГц. Это часто называют "асинхронной" системой. Из-за различий в архитектуре процессора и системы общая производительность системы может непредсказуемо меняться при разных соотношениях FSB и памяти. В приложениях для обработки изображений, аудио, видео, игр, синтеза FPGA и научных вычислений, которые выполняют небольшие операции над каждым элементом большого набора данных, скорость FSB становится критическим фактором производительности. Медленная FSB заставляет процессор тратить значительное время на ожидание данных из оперативной памяти. Однако, если вычисления, выполняемые над каждым элементом, более сложные, процессор будет тратить больше времени на их выполнение, и, следовательно, FSB сможет поддерживать необходимый темп, поскольку скорость доступа к памяти снижается.
Периферийные автобусы
Подобно шине памяти, шины PCI и AGP также могут работать асинхронно относительно системной шины. В более старых системах эти шины работали на фиксированной доле частоты системной шины, определяемой BIOS. В современных системах периферийные шины PCI, AGP и PCI Express часто получают собственные тактовые сигналы, что устраняет их зависимость от системной шины в плане синхронизации.
Сверточный режим
Разгон — это практика повышения производительности компьютерных компонентов за пределы их номинальных значений путем изменения рабочих частот и, при необходимости, корректировки напряжения питания для обеспечения стабильной работы на этих повышенных частотах. Многие материнские платы позволяют пользователю вручную настраивать множитель тактовой частоты и параметры FSB через перемычки или настройки BIOS. Большинство производителей процессоров сейчас "блокируют" предустановленный множитель в чипе. Однако некоторые заблокированные процессоры можно разблокировать; например, некоторые процессоры AMD Athlon можно разблокировать, замыкая контакты на поверхности процессора. Некоторые другие процессоры от AMD и Intel поставляются разблокированными с завода и позиционируются конечными пользователями и розничными продавцами как процессоры "энтузиастского уровня" благодаря этой особенности. Для всех процессоров увеличение скорости FSB может повысить скорость обработки за счет снижения задержки между процессором и северным мостом. Эта практика заставляет компоненты работать за пределами их спецификаций и может привести к нестабильной работе, перегреву или преждевременному выходу из строя. Даже если компьютер работает нормально, проблемы могут возникнуть под высокой нагрузкой. Большинство ПК, приобретенных у розничных продавцов или производителей, таких как Hewlett Packard или Dell, не позволяют пользователю изменять множитель или параметры FSB из-за риска нестабильной работы или отказа. Материнские платы, приобретенные отдельно для сборки пользовательского компьютера, с большей вероятностью позволят пользователю редактировать множитель и параметры FSB в BIOS ПК.
Эволюция
При первой разработке шина FSB (Front Side Bus) обладала преимуществами высокой гибкости и низкой стоимости. Простые симметричные мультипроцессоры размещали несколько процессоров на общей FSB, однако производительность не могла масштабироваться линейно из-за ограничений пропускной способности. Шина FSB использовалась во всех моделях процессоров Intel Atom, Celeron, Pentium, Core 2 и Xeon примерно до 2008 года. Изначально эта шина являлась центральной точкой подключения для всех системных устройств и процессора. Потенциал более быстрого процессора не реализуется, если он не может получать инструкции и данные так же быстро, как и выполнять их. Процессор может тратить значительное время в режиме ожидания, ожидая чтения или записи данных в основную память, поэтому высокопроизводительные процессоры требуют высокой пропускной способности и низкой задержки при доступе к памяти. Компания AMD критиковала шину FSB как устаревшую и медленную технологию, ограничивающую производительность системы. Более современные решения используют соединения типа «точка-точка» и последовательные соединения, такие как AMD HyperTransport и Intel DMI 2.0 или QuickPath Interconnect (QPI). Эти реализации отказались от традиционного северного моста в пользу прямой связи от ЦП к контроллеру платформы (Platform Controller Hub), южному мосту или контроллеру ввода-вывода. В традиционной архитектуре шина FSB служила непосредственным каналом передачи данных между процессором и всеми остальными устройствами в системе, включая оперативную память. В системах на основе HyperTransport и QPI доступ к системной памяти осуществляется независимо посредством контроллера памяти, интегрированного в процессор, что освобождает пропускную способность шины HyperTransport или QPI для других задач. Это усложняет конструкцию процессора, но обеспечивает более высокую пропускную способность и превосходное масштабирование в многопроцессорных системах.