連 載 高速ディジタル・データ伝送入門 高速ディジタル・データ伝送入門 第 11 回 シリアル＆高速化するパソコン内部バス 志田 晟 Akira Shida 前回は DDR SDRAM を例に，パソコンのメモリ・ バスに使われている伝送方式を説明しました．メモ CPU の内部処理速度と マザーボード上のバスの転送速度には 大きな開きがある リ・バス以外にも，パソコンのマザーボードにはいろ いろなバスがあります．一般的な拡張カード用バスと しては PCI（Peripheral Component Interconnect）バ ■ パソコンの内部バス構造 スがあります．しかし PCI バスのクロックは，CPU の内部クロックが GHz を越えるのが当たり前になっ CPU にインテルの Pentium4 を使用する汎用マザー ているのに，いまだに 33 MHz にとどまったままです． そのため，高速な後継規格が必要になってきています． ボードで，2004 年始めの段階で最も新しい構成を図 11 − 1 に示します．図中には各部のデータ転送速度も RapidIO や HyperTransport など，いろいろな規格 示しています．CPU から直接出ているバス（FSB ： が提唱されてきましたが，PCI バスの後継規格は PCI − Express に落ち着くようです．2004 年の中ごろ フロント・サイド・バス）のデータ転送速度は 6.4 G バ イト/s です． には PCI − Express を採用したマザーボードが出てく る見込みです． ■ CPU の内部処理速度と メモリ・バス速度には約３ ０倍の差がある 図 11 − 2 は，パソコンにおける CPU の処理速度と ボード上のデータ転送速度の推移を示したものです． ただし 2005 年の値は予想です．実験的にですが，内 部クロックが数十 GHz のデバイスも作られており， （2） 〈図 11 − 1〉 パソコンの内部バス構造 AGP 8× 64ビット 2.1Gバイト/s Pentium4 システム・バス 6.4Gバイト/s （800MHz） グラフィック・ コントローラ DDR400 （デュアル・チャネル） 6.4Gバイト/s メモリ・ コントローラ ハブ・インターフェース 8ビット 266Mバイト/s Serial ATA150 Ultra ATA/100 インターフェース・ コントローラ USB 2.0 CODEC モデム 230 PCI バス イーサネット Super I /O BI OS オーディオ 2004 年 2 月号 今後も図 11 − 2 の線に沿った高速化が見込まれます． ● DDR SDRAM のデータ転送速度は 3.2 G バイト/s 過していますが，バス幅もクロック周波数も採用当時 のまま 32 ビット，33 MHz で，データ転送速度は PC3200（DDR400）タイプの DDR SDRAM モジュー ルは，データ・レートが 400 MHz で，64 ビット同時 133 M バイト/s です．メモリ・バスのデータ転送速度 に対して 1/20 程度，CPU の処理速度に対しては にアクセスします．つまりデータ転送速度は，0.4 × 1/750 程度の転送速度しかないので，今となっては 10 9 ×（64/8）＝ 3.2 G バイト/s になります．さらに， 二つのメモリ・モジュールを同時に動かすデュアル・ PCI バスはかなり遅いことがわかります． CPU の内部処理速度に比べればメモリも遅いので チャネル方式なら，データ転送速度は 6.4 G バイト/s になります．これは，FSB のデータ転送速度と同じ すが，メモリについては CPU 内にあるキャッシュと いう一時保管用のメモリを使用することで，ある程度 です． の遅れを補償できます．しかし外部バスはそのような ● CPU の処理速度は 100 G バイト/s インテルの Pentium4 は，CPU 内部で一度に 256 ビ 対応が難しいこともあり，高速応答が必要な用途には 大きな問題となっていました． ットのデータを扱います．クロックを 3 GHz とすると， 内部処理速度は 3 × 10 9 ×（256/8）＝ 100 G バイト/s に 達します．CPU 内部の処理速度がそのままマザーボ グラフィック・カード専用の高速バス … AGP ード上で必要なわけではありませんが，デュアル・チ ャネル方式の DDR SDRAM でも，まだまだ遅いと言 ● PCI バスを見切ったグラフィック・カード PCI バスが採用された当時は，グラフィック・カー えます． ドも PCI バスにつながっていました．しかし CPU や メモリに次いで高速性が求められるグラフィック・カ ■ 拡張カード用バスと CPU 処理速度には さらに大きな開きがある 図 11 − 2 には ISA バスや PCI バスなど，マザーボー ード専用に，PCI バスとは独立したバスが設けられま した．これが AGP（Advanced Graphics Port）バスで す．ただし，高速な信号を確実に伝送するため，バス ドに設けられている拡張カード用バスの速度も併せて 示しています．拡張カード用バスの速度は，1995 年 といってもスロットは一つだけです． ● AGP バスのデータ転送速度は約 2.1 G バイト/s から 2000 年まで横ばいになっています．PCI を高速 にした PCI − X という規格が 2000 年頃に出ていますが， 図 11 − 1 を見るとわかるように，AGP バスは CPU と直接接続されるメモリ・コントローラから出ていて， 実際には多くのパソコンの PCI バスは，2003 年頃ま CPU と高速に通信しています． で 133 M バイト/s のままです． 2005 年に拡張カード用バスが 500 M バイト/s まで AGP バスのバス幅は 32 ビット，クロックは 66 MHz です．図 11 − 3 に示すように，AGP には 1 ク 高速化していますが，これは PCI − Express × 1 の採 用が見込まれているためです．なお，このグラフには ロックで 2 回データ転送する 2 ×モード，同じく 1 ク ロックで 4 回データ転送する 4 ×モード，そして 1 ク 示していませんが，グラフィック・カード用のバスは ロックで 8 回データ転送する 8 ×モードがあります． 1995 年以降，メモリ・バスの 1/4 〜 1/2 程度に高速化 されています． 1 ×モードではデータ転送速度は 266 M バイト/s です が，8 ×モードでは約 2.1 G バイト/s に達します． ● PCI バスのデータ転送速度は CPU 処理速度の 1/750 しかない ● AGP 8 ×では高速化のため線路インピーダンスで 終端している PCI バスは，パソコンに採用されてから約 10 年経 〈図 11 − 2〉CPU の処理速度とボード上のデータ転送速度の推移 PCI バスは 3.3 V の LVTTL で，メモリ・バスのよ うに線路端で終端されていません．したがって反射な 処理速度 / データ転送速度 ［G バイト /s］ 1000 CPU 〈図 11 − 3〉AGP のデータ転送タイミング 100 クロ ック 10 メモリ 1 1× 0.1 拡張カード用バス 1980 1985 1990 1995 年 2004 年 2 月号 2000 2005 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 2× D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 0.01 0.001 D1 4× D D D D D D D D 1 2 3 4 5 6 7 8 8× DDDDDDDD 12345678 231
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