بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها

بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها



بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها: دو شركت اینتل و شرکت AMD در طی چند سال گذشته با تغییر در معماری، فركانس، میزان كش و تعداد هسته، پردازنده‌های مختلفی معرفی كرده‌اند. اگر به مشخصات این محصولات كمی توجه كنید قطعاً متوجه خواهید شد كه یكی از مواردی كه معمولاً در معرفی یك محصول جدید تغییر پیدا كرده، فركانس و معماری گذرگاه اصلی سیستم بوده است.

همانطور كه می‌دانید این گذرگاه بطور معمول پردازنده را به چیپست پل شمالی متصل می‌كند و داده‌ها را به پردازنده و یا از پردازنده به پل شمالی منتقل می‌كند.  دو شركت اینتل و AMD در طی چند سال گذشته با تغییر در گذرگاه پردازنده (گذرگاه اصلی سیستم) هر چند وقت یكبار محصولات جدیدی معرفی كرده‌اند. بطور كلی گذرگاه پردازنده‌های شركت اینتل تغییرات بیشتری را نسبت به گذرگاه پردازنده‌های رقیبش داشته هر چند كه این تغییرات جزئی بودند.

در ابتدا معماری گذرگاه پردازنده در محصولات هر دو شركت یكسان بود اما با معرفی پردازنده‌ها و معماری‌های جدیدتر این گذرگاه نیز دستخوش تغییراتی شدند. در این مقاله قصد داریم به بررسی انواع گذرگاه‌های مورد استفاده در پردازنده‌ها بپردازیم و آنها را از نظر معماری با یكدیگر مقایسه كنیم (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

FSB؛ گذرگاه سنتی “گذرگاه جلوی سیستم” یا Front Side Bus كه به اختصار FSB نامیده‌ می‌شود پردازنده را به چیپست پل شمالی متصل می‌كند. این گذرگاه در پردازنده‌های Pentium 4 و Core 2 شركت اینتل و كلیه پردازنده‌های مبتنی بر سوكت ۴۶۲ شركت AMD نظیر Athlon XP و … مورد استفاده قرار گرفته است. FSB در پردازنده‌های هر دو شركت اینتل و AMD دارای عرض باس ۶۴ بیت است یا به عبارت ساده‌تر، از این باس بطور همزمان ۶۴ بیت داده عبور می‌كند. اما فركانس و تعداد دفعات انتقال اطلاعات در آن برای پردازنده‌های این دو شركت متفاوت است.  FSB در كلیه پردازنده‌هایAMD مبتنی بر سوكت ۴۶۲، در هر سیكل دو مرتبه عملیات انتقال اطلاعات را انجام می‌دهند. بنابراین در این سری از پردازنده‌ها حداكثر نرخ انتقال اطلاعات FSB از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود:


 ۸ / (فركانس FSB) × ۲ * (بیت ۶۴) = حداكثر نرخ انتقال اطلاعات


كلیه فركانس‌های FSB كه شركت AMD برای پردازنده‌های مبتنی بر سوكت ۴۶۲ استفاده كرده مشخص است. به عنوان مثال فركانس FSB در پردازنده‌های Sempron K7 شركت AMD معادل ۲۰۰ مگاهرتز است كه می‌تواند حداكثر ۲۷۰۰ مگابایت داده در ثانیه انتقال دهد. بالاترین مدل پردازنده‌ در این سری دارای فركانس گذرگاه ۲۰۰ مگاهرتز است كه قادر به انتقال حداكثر ۳۲۰۰ مگابایت در ثانیه می‌باشد. اما FSB پردازنده‌های شركت اینتل در هر سیكل ۴ مرتبه عملیات انتقال اطلاعات را انجام می‌دهند (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

اولین پردازنده پنتیوم ۴ دارای فركانس گذرگاه ۱۰۰ مگاهرتز بود و می‌توانست حداكثر ۳۲۰۰ مگابایت در ثانیه انتقال دهد. در حقیقت اینتل با استفاده از تكنولوژی QDR توانست فركانس گذرگاه پردازنده‌های خود را كاهش دهد و در عین حال به نرخ انتقال اطلاعاتی معادل با پردازنده‌های رقیبش برسد (پردازنده‌های AMD برای رسیدن به پهنای باند ۳۲۰۰ مگابایت بر ثانیه نیاز به ۲۰۰ مگاهرتز فركانس داشتند). این موضوع سبب شد تا میزان نویز در گذرگاه پردازنده‌های اینتل كاهش پیدا كند و اینتل بتواند محصولاتی با حداكثر نرخ انتقال اطلاعات بالاتری معرفی كند (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

نكته‌ایی كه در مورد FSB باید به آن توجه كرد مربوط به فركانس FSB است. در اكثریت رسانه‌ها فركانس FSB پردازنده‌‌های شركت اینتل و AMD از ضرب فركانس در تعداد دفعات انتقال مشخص ‌شده است. به عنوان مثال در اكثریت وب سایت‌ها و نشریات مشاهده خواهید كرد كه فركانس FSB برای پردازنده‌های Sempron شركت AMD برابر با ۳۳۳ مگاهرتز درج شده درحالیكه فركانس FSB پردازنده‌های Sempron صد و شصت و شش مگاهرتز است. بطور كلی برای گذرگاه FSB این طور مرسوم شده كه مقادیر MT/s را به عنوان فركانس در نظر می‌گیرند. اما در مورد معماری FSB باید به بررسی چند نكته بپردازیم: همانطور كه می‌دانید زمانیكه گفته می‌شود یك گذرگاه دارای عرض باس ۶۴ بیت است یعنی در آن گذرگاه بطور همزمان ۶۴ بیت از داده‌ها انتقال پیدا می‌كند. انتقال ۶۴ بیت از داده‌ها بطور همزمان مستلزم ۶۴ مسیر برای انتقال داده‌ها است. علاوه بر این ۶۴ مسیر، نیاز به تعدادی مسیر دیگر برای فرمان‌های كنترل و آدرس است. بنابراین برای اتصال یك پردازنده به پل شمالی از طریق FSB تقریباً به ۱۵۰ مسیر نیاز است. قرار دادن ‌این مسیرها در كنار یكدیگر موجب می‌شود تا طراحی مادربوردها بسیار دشوار شود. علاوه بر این با توجه به اینكه انتقال اطلاعات در گذرگاه FSB بطور موازی انجام می‌گیرد به سختی می‌توان فركانس را در این گذرگاه افزایش داد زیرا افزایش فركانس موجب ایجاد نویز و اختلال در انتقال داده‌ها می‌شود. به همین دلیل هم هست که در منابع حداکثر میزان فركانس برای گذرگاه FSB پردازنده‌های اینتل ۴۰۰ مگاهرتز است.

مسئله دیگری كه باید به آن توجه كرد نحوه انتقال اطلاعات است. در معماری FSB  از یك باس خارجی واحد استفاده می‌شود. در این باس برای ارسال و دریافت اطلاعات نمی‌توان داده‌های مربوط به ارسال و دریافت را بطور همزمان انتقال داد به عبارت دیگر داده‌ها، همزمان تنها در یك جهت انتقال پیدا می‌كنند. با توجه به مشكلات ذكر شده، شركت AMD در پردازنده‌های مبتنی بر معماری AMD64 از گذرگاه FSB استفاده نكرد و با توجه به تغییر در معماری پردازنده‌هایش، معماری گذرگاه اصلی سیستم را نیز تغییر داد (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

 HyperTransport؛ نوآوری AMD پردازنده‌های مبتنی بر معماری AMD64 همانند  Athlon64، Athlon64 X2، Athlon64 FX، Opteron ،Sempron ،Phenom و Phenom 2 دو باس خارجی دارند. یكی از این باس‌ها برای اتصال بین پردازنده و حافظه استفاده می‌شود كه بطور خلاصه باس حافظه نامیده می‌شود. باس دیگر رابط بین پردازنده و دیگر اجزای كامپیوتر بواسطه چیپست مادربورد است كه HyperTransport نامیده می‌شود.  باس HyperTransport توسط كنسرسیومی شامل چند كمپانی نظیر  AMD ،nVIDIA و Apple معرفی شد.

بطوركلی این باس برای كاربردهای مختلفی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد و منحصراً مختص به پردازنده‌های شركت AMD نیست. تاكنون این باس در سه نسخه مختلف عرضه شده كه می‌توان آنها را در فركانس و عرض باس‌های مختلفی پیكره‌بندی كرد. در ادامه مقاله به بررسی هر یك از این نسخه‌ها خواهیم پرداخت.

بریج نحوه ارتباط پردازنده با دیگر اجزا سیستم را در پردازنده‌های مبتنی بر معماری AMD64 نمایش می‌دهد.  در “Bridge” در حقیقت چیپست، مادربورد است و بستگی به این چیپست، مادربورد می‌تواند یك و یا دو چیپست داشته باشد. در محصولات دو چیپستی همه وسایل جانبی شامل هارددیسك‌ها، كارت‌های توسعه، USB، Firewire و … به چیپست دوم متصل می‌شوند (چیپست دوم پل جنوبی نامیده می‌شود). در حالیكه در محصولات تك چیپستی همه چیزها به تك چیپست متصل می‌شود. پردازنده‌های سرور شركت AMD نظیر Opteron ( بستگی به مدلشان) می‌توانند ۱، ۲ و یا ۳ باس HyperTransport داشته باشند. این باس‌ها برای ارتباط چندین پردازنده با یكدیگر استفاده می‌شوند و اجازه می‌دهند تا آنها با یكدیگر صحبت كنند.

بطور مثال سرورهایی كه مادربوردشان از بیش از یك پردازنده پشتیبانی می‌كند دارای ۲ یا ۳ باس HyperTransport هستند. اما از آنجاییكه سیستم‌های خانگی و كامپیوتر‌های همراه تنها از یك پردازنده استفاده می‌كنند بنابراین دارای تنها یك باس HyperTransport هستند. HyperTransport علاوه بر جدا كردن مسیر‌های داده مربوط به حافظه و I/O شامل چندین برتری دیگر نیز می‌شود. این باس برای عملیات فرستادن داده‌ها به پردازنده و دریافت داده‌ها از پردازنده مسیرهای مجزایی را فراهم می‌كند و بنابراین به پردازنده اجازه می‌دهد تا داده‌های مربوط به I/O را بطور همزمان ارسال و دریافت كند (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

HT یك گذرگاه سریال است و برای انتقال اطلاعات از روش سیگنالینگ تفاضلی (Differential Signaling) استفاده می‌كند. قبل از آنكه بررسی نسخه‌های مختلف HT بپردازیم اجازه دهید در مورد سیگنالینگ تفاضلی صحبت كنیم. سیگنالینگ تفاضلی همانطور که اشاره شد افزایش فركانس موجب ایجاد نویز در گذرگاه‌ها و مسیرهای انتقال داده می‌شود. گذرگاه‌هایی كه از روش سیگنالینگ تفاضلی استفاده می‌كنند برای حدف نویز ناشی از میدان‌های مغناطیسی از روشی به نام Cancellation (حذف) استفاده می‌كنند. همانطور كه می‌دانید زمانیكه در یك سیم جریان الكتریكی جاری می‌شود در اطراف آن میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌شود. اگر این میدان‌های مغناطیسی به اندازه كافی قوی باشند روی سیم‌های مجاور خود اختلال ایجاد می‌كنند و به داده‌های كه از درون آنها انتقال پیدا می‌كند، صدمه می‌زنند.  این مشكل مكالمه متداخل یا CrossTalk نامیده می‌شود. در روش Cancellation برای حذف این میدان‌های مغناطیسی هر سیگنال دو مرتبه انتقال داده می‌شود. در این روش یك سیگنال مشابه با سیگنال اصلی اما با ولتاژ منفی برای گیرنده ارسال می‌شود. بنابراین زمانیكه گیرنده این دو سیگنال یكسان اما با دو ولتاژ قرینه را دریافت می‌كند آنها را با یكدیگر مقایسه می‌كند. تفاوت بین این دو سیگنال، نویز است و بنابراین گیرنده به سادگی می‌تواند میزان نویز را تشخیص دهد و آن را حذف كند.

نسخه‌های مختلف HT از زمان ارائه اولین نسخه HT، این روش دستخوش تغییراتی شده است و تاکنون سه نسخه از آن عرضه شده که در ادامه به هر یک از آنها بطور مختصر خواهیم پرداخت (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

  • نسخه HyperTransport 1.x
  • نسخه HT2
  • نسخه HT3


  • نسخه HyperTransport 1.x

كلیه پردازنده‌های مبتنی بر سوكت ۷۵۴ و پردازنده‌های Sempron مبتنی بر سوكت AM2 از HyperTransport نسخه ۱ (HT1) استفاده می‌كنند. پردازنده‌های Athlon64 مبتنی بر سوكت AM2 از نسخه ۲ (HT2) و پردازنده‌های Phenom (سوكت AM2+) نیز از نسخه ۳ (HT3) پشتیبانی می‌كنند. AMD در گذرگاه كلیه پردازنده‌هایش از مسیرهای ۱۶ بیتی استفاده كرده، اگرچه باس HT اجازه استفاده از مسیرهای ۳۲ بیتی را نیز فراهم می‌كند. HT در هر سیكل ۲ مرتبه عملیات انتقال اطلاعات را انجام می‌دهد. به عبارت دیگر نحوه انتقال اطلاعات در این باس بصورت DDR است. بنابراین حداكثر نرخ انتقال اطلاعات تئوری را توسط فرمول زیر می‌توان محاسبه كرد:


۸ / تعداد دفعات انتقال در هر سیكل × فركانس * عرض باس (تعداد بیت) = حداكثر نرخ انتقال اطلاعات فركانس


HT در پردازنده‌های مبتنی بر سوكت ۷۵۴،  ۸۰۰ مگاهرتز است. بنابراین حداكثر نرخ انتقال اطلاعات در گذرگاه این پردازنده‌ها برابر با ۳۲۰۰ مگابایت بر ثانیه است (۳۲۰۰ = ۲ × ۸۰۰ × ۱۶). اما در برخی از وب سایت‌ها و نشریات حداكثر نرخ انتقال اطلاعات برای این سری از پردازنده‌ها برابر با ۶۴۰۰ مگابایت بر ثانیه درج شده است. همانطور كه در بخش ابتدای مقاله گفته شد HT دارای دو مسیر (دو جهت) مجزا برای ارسال و دریافت داده‌ها است كه در هر جهت ۳۲۰۰ مگابایت بر ثانیه انتقال می‌دهد و بنابراین برخی‌ها برای محاسبه حداكثر نرخ انتقال اطلاعات در HT، ۳۲۰۰ در عدد ۲ ضرب می‌كنند ( اگرچه این روش غلط است، زیرا در یك اتوبان دو جهته اگر در هر جهت حداكثر سرعت مجاز ۱۲۰ كیلومتر در ساعت باشد هیچگاه نمی‌توان گفت كه در كل اتوبان حداكثر سرعت مجاز ۲۴۰ كیلومتر در ساعت است).

از طرف دیگر فركانس HT بوسیله چیپست می‌تواند كاهش پیدا كند و یا حتی عرض باس در به جای ۱۶ بیت به ۸ بیت برسد. چیپست‌های اولیه شركت VIA برای پلتفرم K8 نظیر K8T800 دارای فركانس ۸۰۰ مگاهرتز بودند اما عرض باس آنها در عوض ۱۶ بیت، ۸ بیت بود. به هرحال كنسرسیوم HyperTransport حداكثر پهنای باند HT1 را برابر با ۱۲.۸ گیگابایت بر ثانیه اعلام كرده است. زیرا آنها عرض باس را ۳۲ بیت در نظر گرفته‌اند و این درحالی است كه AMD از عرض باس ۱۶ بیت در پردازنده‌هایش استفاده كرده است (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

  • نسخه HyperTransport 2

این نسخه از HT در سال ۲۰۰۶ معرفی شد كه فركانس و در نتیجه نرخ انتقال اطلاعات در آن افزایش پیدا كرد. علاوه بر آن خصوصیت جدیدی به این نسخه اضافه شده كه اجازه می‌دهد تا پردازنده ساده‌تر با وسایل مبتنی بر درگاه‌های PCI Express ارتباط برقرار كند. این بار شركت AMD از حداكثر فركانس و نرخ انتقال اطلاعات گذرگاه HT استفاده نكرده است. در حقیقت پردازنده‌های AMD كه مبتنی بر HT 2 هستند (كلیه پردازنده‌های مبتنی بر سوكت ۹۳۹ و AM2 به استثنای پردازنده‌های Sempron) دارای نرخ انتقال اطلاعات ۴۰۰۰ مگابایت بر ثانیه (۴ گیگابایت در ثانیه) هستند. HT 1.x و HT 2 كاملاً با یكدیگر سازگار هستند بنابراین در صورتیكه پردازنده مبتنی بر HT 1 روی مادربوردی با HT 2 قرار گیرد با همان میزان سرعت HT 1 عمل خواهد كرد. كنسرسیوم HyperTransport حداكثر نرخ انتقال اطلاعات برای HT 2 را برابر با ۲۲.۴ گیگابایت بر ثانیه اعلام كرده است (۲ × ۱۱۲۰۰ = ۸ / ۲ × ۱۴۰۰ × ۳۲ در دو جهت).

  • نسخه HyperTransport 3

علاوه بر افزایش فركانس و در نتیجه افزایش نرخ انتقال اطلاعات، HT 3 دارای چندین خصوصیت جدید نسبت به HT 2 است. این خصوصیات شامل: وضعیت عملیاتی AC (AC Operating Mode)، شكافتن مسیر  (Link Splitting یا Un-Ganging)و Hot Plugging و تنظیم دینامیكی عرض باس و فركانس (Dynamic Link Clock/Width Adjustment) می‌شود. تنها پردازنده‌های Phenom از نسخه HT 3 استفاده می‌كنند. بنابراین HT 3 در سیستم‌های مبتنی بر سوكت AM2+ و ۱۲۰۷+ استفاده شده است. فركانس در HT 3 افزایش پیدا كرده اما هنوز با HT 1.x و HT 2 سازگار است (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).

شركت AMD یكبار دیگر از حداكثر نرخ انتقال اطلاعات HyperTransport برای پردازنده‌هایش استفاده كرده است. پردازنده‌های Phenom مبتنی بر HT 3 دارای حداكثر نرح انتقال اطلاعات ۱۰۴۰۰ مگابایت بر ثانیه (۱۰.۴ گیگابایت بر ثانیه) هستند. اگر به وب سایت شركت AMD مراجعه كنید در قسمت معرفی پردازنده‌های Phenom حداكثر نرخ انتقال اطلاعات برای آنها معادل ۵۲۰۰ MT/S درج شده است. همانطور كه گفته شده HT 3.0  با دیگر نسخه‌های HT سازگار است بنابراین در صورتیكه یك پردازنده مبتنی بر HT 3.0 روی مادربوردی مبتنی بر HT 2 قرار گیرد (به عنوان مثال یك پردازنده Phenom روی مادربوردی با سوكت AM2 قرار گیرد) سیستم با كارایی پایین‌تر عمل خواهد كرد (بررسی انواع گذرگاه‌های پردازنده‌ها).


  • منبع: وبلاگ کمک در مورد مسائل نرم افزار و سخت افزار کامپیوتر

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *