System Bus

Di dunia komputer, system bus adalah jalur (bus, baca: "bas") tempat di mana data berinteraksi antara komponen yang satu dengan komponen yang lain. Ada berbagai macam jenis bus yang ada di dalam komputer. Namun jenis bus yang paling dikenal untuk jenis komputer standar PC adalah bus yang menghubungkan CPU (Processor) dengan chipset (Northbridge).

Tipe bus secara umum bisa dikategorikan menjadi dua bentuk. Pertama, tipe bus internal yang biasa disebut system bus, dan ke-dua, bus eksternal yang berfungsi untuk menghubungkan berbagai periferal atau alat-alat eksternal, slot ekspansi, port I/O, dan berbagai komponen drive. Bus eksternal ini akan memungkinkan penambahan kemampuan komputer. Biasanya bus eksternal berjalan pada kecepatan yang lebih rendah dibandingkan system bus. Bus eksternal juga biasa disebut sebagai expansion bus.

Sejarah dan Implementasi Saat Ini 

Diagram Front Side Bus konvensional

Untuk sejarah perkembangan dan aplikasinya, system bus ini kami rujuk pada Front Side Bus (FSB) khususnya untuk jenis PC. FSB sendiri bisa dikatakan sebagai alternatif bus data maupun bus address dari processor yang memang sudah ditetapkan dalam datasheet oleh produsen CPU itu sendiri.

Penerapan dalam arsitektur komputer dan fungsinya untuk menghubungkan CPU dan komponen-komponen lain, biasanya dijembatani oleh komponen yang kita kenal sebagai chipset. Chipset ini terbagi menjadi dua bagian yang masing-masing memiliki fungsi utama tersendiri. Chipset tersebut adalah Northbridge dan Southbridge. Penamaan seperti ini memang lebih dikarenakan posisi dalam diagram system bus, dimana dua chipset utama tersebut diposisikan satu diatas dan satu lagi dibawah.

Fungsi utama northbridge adalah sebagai controller untuk main memory (RAM), selain sebagai penghubung dengan komponen I/O keseluruhan yang diatur oleh chipset southbridge. System bus bukan hanya meliputi FSB saja, tapi juga meliputi bus seperti AGP, PCI, dan sebagainya. Sistem bus sekunder ini biasanya berjalan pada kecepatan yang berdasar kepada kecepatan FSB, namun tidak harus selalu sinkron dengan FSB tersebut.

Perkembangan berikutnya, setelah sekian lama system bus yang berkutat berdasarkan desain FSB, pada beberapa tahun terakhir gebrakan terbaru dengan mulai hadirnya solusi koneksi system bus point-to-point seperti AMD HyperTransport dan juga Intel QuickPath Interconnect. Dengan ini desain FSB mulai ditinggalkan, walaupun dari beberapa produk processor Intel masih ada yang menggunakan sistem FSB konvensional. Hal ini awalnya dikarenakan kritikan AMD yang menganggap FSB sudah ketinggalan, dan juga akan menjadi bottleneck dari processor-processor modern yang makin cepat.

Bandwidth dan Kecepatan
Bandwidth maupun kecepatan maksimal throughput FSB ditentukan dari perhitungan lebar data, frekuensi clock (siklus per detik), dan seberapa banyak transfer data yang dapat dilakukan dalam satu siklus clock. Sebagai contoh, lebar data FSB 64-bit (8-byte) yang berjalan pada clock 100 MHz yang dapat melakukan 4 kali transfer data, memiliki bandwidth sebesar 3200 MB/s.

Diagram processor AMD dengan interface HyperTransport

Seberapa banyak transfer data yang dapat dilakukan, tergantung kepada teknologi yang digunakan. Misalnya pada teknologi pensinyalan (signaling) yang digunakan pada FSB untuk sistem Intel yang menggunakan teknologi GTL+ (Gunning Transciever Logic), dapat melakukan 1 transfer per detiknya. Penggunaan GTL+ dipopulerkan pada seri processor Pentium II dan III. Berbeda dengan AMD pada seri Athlon, ia menggunakan teknologi EV6 untuk pensinyalan clock FSB yang dapat melakukan 2 transfer per detik. Jawaban Intel terhadap EV6 adalah penggunaan ATGL+ yang dapat melakukan 4 transfer per detik (biasa dikenal dengan quad-pump) pada seri processor Pentium 4 hingga seri Core 2.

Untuk itu kadang ditemukan penentuan FSB bisa dalam bentuk MHz, maupun kecepatan aktualnya secara kemampuan transfer MT/s (Megatransfer/second). Walaupun keseluruhan rata-rata masih berbasis kecepatan efektif teoritis saja.

Kecepatan tertinggi dari sistem FSB saat ini mencapai 1.6 GT/s (Gigatransfer/second), yang hanya setengah dari unindirectional QPI. QPI Bi-directional memiliki bandwidth 6.4 GT/s. Bila dibandingkan dengan teknologi bus HyperTransport sendiri, FSB hanya sebesar 80% dari bandwidth maksimal yang dapat dicapai HyperTransport saat ini.

Dalam hubungan antara FSB dengan sistem komputer keseluruhan untuk berbagai kecepatan yang dimiliki tiap bus adalah sebagai berikut:

1. CPU (Processor)
Kecepatan clock frekuensi yang dimiliki oleh processor, dalam beberapa kasus ditentukan dengan mengaplikasikan multiplier terhadap FSB. Sebagai contoh, jika sebuah processor berjalan pada kecepatan FSB 3200 MHz, bisa saja ia menggunakan kecepatan FSB 400 MHz. Ini artinya terdapat setting clock multiplier internal (biasa disebut bus/core ratio) sebesar 8. Dengan kata lain, processor diset berjalan pada kecepatan 8 kali FSB: 400MHz x 8 = 3200MHz (3,2 GHz). Dengan memvariankan kecepatan FSB maupun jumlah multiplier, dapat diperoleh berbagai kecepatan processor.

2. Memory
Setting kecepatan FSB berhubungan erat dengan tingkatan kecepatan memori yang harus digunakan. Memori bus ini menghubungkan northbridge dengan RAM, sama halnya FSB yang menghubungkan processor dengan northbridge. Kadangkala kedua bus ini harus berjalan pada frekuensi yang sama (synchronous). Meningkatkan kecepatan FSB hingga 450 MHz biasanya juga akan membuat memori berjalan pada clock 450 MHz juga.

Pada sistem yang lebih baru, kadang bisa juga ditemukan rasio memori “4:5”, dan semacamnya (asynchronous). Dengan kata lain, memori akan berjalan pada kecepatan 5/4 kali dibandingkan FSB, atau pada sistem dengan FSB 400 MHz memori berjalan pada kecepatan 500 MHz. Perlu diperhatikan bahwa dengan perbedaan processor dan arsitektur sistem, kinerja keseluruhan dapat bervariasi bila menggunakan kecepatan FSB dan memori yang berbeda (asinkron).

3. Bus Peripheral
Sama seperti bus memory, bus untuk peripheraal seperti AGP maupun PCI juga berjalan pada kecepatan yang tidak sama (asynchronous) dengan FSB. Pada sistem yang lebih tua, bus-bus ini bahkan berjalan pada kecepatan yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan FSB. Setting ini biasanya ditentukan oleh BIOS. Pada sistem yang lebih baru, periferal bus PCI, AGP, atau juga PCI Express biasanya sudah memiliki sinyal clock tersendiri, yang dengan kata lain tidak lagi bergantung pada kecepatan FSB untuk timing-nya.

4. Overclock
Overclock adalah proses untuk membuat komputer maupun komponen-komponen pembangunnya berjalan pada clock yang diluar dari standar clock default-nya. Proses ini yang berhubungan dengan FSB dan Multiplier, biasanya dapat dilakukan secara langsung dengan mengubah jumper di motherboard atau mengubah setting di BIOS. Walaupun keleluasaan ini biasanya hanya ada pada jenis motherboard khusus untuk overclocking.

Diagram system bus keseluruhan dengan menggunakan HyperTransport

Selain karena proses overclocking berisiko akan memperpendek umur komponen, ia juga akan menghilangkan garansi. Dalam menanggulangi hal ini, produsen processor biasanya mengimplementasikan preset multiplier yang sudah terkunci “lock” kedalam chip. Sehingga tidak memungkinkan pengguna untuk mengubah-ubah multiplier lagi. Walaupun dari beberapa generasi processor terdapat kemungkinan untuk melakukan overclock melalui cara modding terhadap processor itu sendiri sehingga perubahan multiplier dimungkinkan. Cara lain bisa dilakukan dengan memaksakan FSB berjalan lebih cepat lagi dengan ikut meningkatkan voltase agar tercapai kestabilan.

Interface HyperTransport pada processor Quad Core

System Bus Modern
Perkembangan system bus yang lebih canggih mengarah kepada multi-link point-to-point interconnect. Di mana kelebihannya terutama terletak pada sisi bi-directional, yakni transaksi proses aliran data dapat berlangsung bersamaan untuk mengirim (send) maupun menerima (receive), dan juga tingkatan bandwidth yang lebih besar.

Selain itu tendensi yang mengharuskan penempatan memory controller di dalam processor, membuat akses data menjadi lebih cepat  (latency yang mekin kecil). Kelebihan lain adalah sisi direct-connect untuk masing-masing komponen yang terhubung memiliki jalurnya masing-masing. Hal ini meniadakan sharing jalur data yang biasanya ditemukan pada FSB konvensional, yang menambah waktu delay untuk mengirim maupun menerima data.

Diagram interface bus QuickPath Interconnect

Dominasi komputer personal masih dipegang oleh dua hardware pembuat CPU, yaitu AMD dan Intel. Masing-masing dengan teknologi HyperTransport dan QuickPath Interconnect.

Berikut jenis teknologi bus-bus modern yang digunakan oleh dua basis processor yang paling banyak digunakan di dunia komputer personal saat ini.

1. AMD: HyperTransport
HyperTransport sebelumnya dikenal dengan Lightning Data Transport (LDT) yang merupakan bus link point-to-point, bi-directional serial/parallel high-bandwidth yang mulai dikenalkan pada 2 April 2001.

Teknologi bus ini dikembangkan dan dipromosikann oleh HyperTransport Consortium yang terdiri dari AMD, Alliance Semiconductor, Apple Computer, Broadcom Corporation, Cisco Systems, nVIDIA, PMC-Sierra, Sun Microsystems, dan Transmeta. Hingga tahun 2009, konsorsium ini sudah memiliki 50 anggota. Teknologi ini digunakan pada processor x86 oleh AMD dan Transmeta, lalu implementasi pada chipset digunakan oleh AMD, nVIDIA, VIA, dan SiS.

HyperTransport hadir dalam bentuk 4 versi kecepatan, versi 1.x, 2.0, 3.0, dan 3.1. Dengan jangkauan kecepatan clock dari 200 MHz-3200 MHz. Teknologi ini juga menggunakan koneksi DDR (Double Data Rate), yang artinya transaksi data terjadi pada sinyal clock rising dan falling. Hal ini memungkinkan maksimal data rate hingga 6400 MT/s pada kecepatan clock 3200 MHz.

HyperTransport mendukung auto-negotiated bit width secara otomatis menggunakan link sesuai kebutuhan. Jangkauan auto-negotiated bit ini dari 2 hingga 32-bit link interconnect. Pada width dan kecepatan tertinggi, yakni 32-bit interconnect memiliki transfer rate hingga 25.6 GB/s tiap directional (send/receive).

Meski HyperTransport ini mampu mencapai 32-bit width link, lebar data ini tidak digunakan oleh AMD pada seri processor-nya. Untuk semua seri processor AMD yang menggunakan HyperTransport, hanya menggunakan 16-bit link, dan juga batasan kecepatan hingga 2.6 GHz saja. Memang beda halnya dengan seri processor Workstation Opteron, dan Athlon64 FX (1207) yang menggunakan tiga 16-bit link.

2. Intel: QuickPath Interconnect (QPI)
QuickPath Interconnect (QPI) adalah point-to-point processor interconnect yang dikembangkan oleh Intel untuk bersaing dengan teknologi HyperTransport yang digunakan oleh AMD untuk system bus dari processor next-generation-nya.

Sebelum menggunakan nama QPI, Intel merujuk kepada nama Common System Interface (CSI). Pengembangan teknologi dari QPI dilangsungkan di Intel MDDC (Massachusetts Microprocessor Design Center) oleh anggota dari grup DEC Alpha Development (grup ini diakuisisi oleh intel). DEC ini sebelumnya adalah yang mengembangkan bus EV6 yang digunakan oleh AMD pada generasi processor Athlon pertama.

Dalam bentuknya yang paling sederhana (single processor), sebuah QPI link berfungsi untuk menghubungkan processor dengan I/O Hub (Intel Core i7 dengan Chipset X58). Dalam arsitektur yang lebih kompleks, beberapa QPI link yang berbeda dapat digunakan untuk menghubungkan satu atau lebih processor, dan satu atau lebih I/O Hub dalam sebuah jaringan didalam motherboard. Hal ini memungkinkan semua komponen dapat mengakses komponen lain via jaringan ini.

Sama seperti HyperTransport, teknologi QuickPath menggunakan pemasangan memory controller di dalam processor dalam bentuk Non-Uniform Memory Architechture (NUMA).

Tiap QPI terbentuk dari 20-lane-point-to-point link data, masing-masing untuk tiap arah (duplex, send/receive). Tiap arah dilengkapi dua clock dengan total 42 sinyal. Tiap sinyal memiliki sepasang jalur yang berbeda, jadi total satu QPI link adalah 84 pin. Dari 20-lane data ini dibagi menjadi 4 quadrant yang terdiri dari 5 lane.

Awalnya, implementasi QPI menggunakan kesemua 4 quadrant ini. Namun spesifikasi dari QPI memungkinkan untuk digunakan dalam konfigurasi lain. Dimana setiap quadrant dapat digunakan secara independen. Pada inplementasi awal untuk Nehalem, kesemua 4 quadrant digunakan dengan maksimal bandwidth yang didapatkan mencapai 25.6 GB/s. Ini persis dua kali lipat bandwidth dari FSB 1600 MHz yang digunakan pada chipset Intel X48.

DMI (Direct Media Interface)
Alternatif system bus yang digunakan oleh Intel adalah DMI. Bus ini bukanlah interface generasi baru. Namun karena implementasi arsitektur Intel Core i5/i7 dengan socket LGA-1156 (platform chipset P55), semua fungsi northbridge beralih ke processor (mengintegrasikan memory controller dan bus graphic subsystem/PCI Express x16).

Lalu karena standar koneksi Intel northbridge dengan southbridge menggunakan interface DMI, secara otomatis platform Intel yang baru ini juga menggunakan DMI. Meskipun dimungkinkan hadirnya teknologi bus yang baru berdasarkan arsitektur ini. Sisi kecepatan maksimal DMI hanya mencapai 2 GB/s. Hal ini cukup lumrah, mengingat tidak dibutuhkan interface yang cepat dalam aliran data di southbridge.

Mengintegrasikan memory controller dan PCI Express ke processor

Jika artikel ini bermanfaat, silakan share.
______________________________

Source: Wawa Sundawa, PCMedia edisi 01/2010, hal 72-75

Posted in: Komputer