什么是帶寬

什么是帶寬

在各類電子設(shè)備和元器件中，我們都可以接觸到帶寬的概念，例如我們熟知的顯示器的帶寬、內(nèi)存的帶寬、總線的帶 寬和網(wǎng)絡(luò)的帶寬等等；對(duì)這些設(shè)備而言，帶寬是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。不過(guò)容易讓人迷惑的是，在顯示器中它的單位是MHz，這是一個(gè)頻率的概念；而在總線和內(nèi) 存中的單位則是GB/s，相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸率的概念；而在通訊領(lǐng)域，帶寬的描述單位又變成了MHz、GHz……這兩種不同單位的帶寬表達(dá)的是同一個(gè)內(nèi)涵么？ 二者存在哪些方面的聯(lián)系呢？本文就帶你走入精彩的帶寬世界。

一、 帶寬的兩種概念

　　如果從電子電路角度出發(fā)，帶寬 （Bandwidth）本意指的是電子電路中存在一個(gè)固有通頻帶，這個(gè)概念或許比較抽象，我們有必要作進(jìn)一步解釋。大家都知道，各類復(fù)雜的電子電路無(wú)一例 外都存在電感、電容或相當(dāng)功能的儲(chǔ)能元件，即使沒(méi)有采用現(xiàn)成的電感線圈或電容，導(dǎo)線自身就是一個(gè)電感，而導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地之間便可以組成電容—— 這就是通常所說(shuō)的雜散電容或分布電容；不管是哪種類型的電容、電感，都會(huì)對(duì)信號(hào)起著阻滯作用從而消耗信號(hào)能量，嚴(yán)重的話會(huì)影響信號(hào)品質(zhì)。這種效應(yīng)與交流電 信號(hào)的頻率成正比關(guān)系，當(dāng)頻率高到一定程度、令信號(hào)難以保持穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)電子電路自然就無(wú)法正常工作。為此，電子學(xué)上就提出了“帶寬”的概念，它指的是電 路可以保持穩(wěn)定工作的頻率范圍。而屬于該體系的有顯示器帶寬、通訊/網(wǎng)絡(luò)中的帶寬等等。

　　而第二種帶寬的概念大家也許會(huì)更熟悉，它所指 的其實(shí)是數(shù)據(jù)傳輸率，譬如內(nèi)存帶寬、總線帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬等等，都是以“字節(jié)/秒”為單位。我們不清楚從什么時(shí)候起這些數(shù)據(jù)傳輸率的概念被稱為“帶寬”，但 因業(yè)界與公眾都接受了這種說(shuō)法，代表數(shù)據(jù)傳輸率的帶寬概念非常流行，盡管它與電子電路中“帶寬”的本意相差很遠(yuǎn)。

　　對(duì)于電子電路中的帶 寬，決定因素在于電路設(shè)計(jì)。它主要是由高頻放大部分元件的特性決定，而高頻電路的設(shè)計(jì)是比較困難的部分，成本也比普通電路要高很多。這部分內(nèi)容涉及到電路 設(shè)計(jì)的知識(shí)，對(duì)此我們就不做深入的分析。而對(duì)于總線、內(nèi)存中的帶寬，決定其數(shù)值的主要因素在于工作頻率和位寬，在這兩個(gè)領(lǐng)域，帶寬等于工作頻率與位寬的乘 積，因此帶寬和工作頻率、位寬兩個(gè)指標(biāo)成正比。不過(guò)工作頻率或位寬并不能無(wú)限制提高，它們受到很多因素的制約，我們會(huì)在接下來(lái)的總線、內(nèi)存部分對(duì)其作專門 論述。

二、 總線中的帶寬

　　在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線的作用就好比是人體中的神經(jīng)系統(tǒng)，它承擔(dān)的是所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆氊?zé)，而 各個(gè)子系統(tǒng)間都必須籍由總線才能通訊，例如，CPU和北橋間有前端總線、北橋與顯卡間為AGP總線、芯片組間有南北橋總線，各類擴(kuò)展設(shè)備通過(guò)PCI、 PCI-X總線與系統(tǒng)連接；主機(jī)與外部設(shè)備的連接也是通過(guò)總線進(jìn)行，如目前流行的USB 2.0、IEEE1394總線等等，一句話，在一部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，所有數(shù)據(jù)交換的需求都必須通過(guò)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)！

　　按照工作模式不同，總線 可分為兩種類型，一種是并行總線，它在同一時(shí)刻可以傳輸多位數(shù)據(jù)，好比是一條允許多輛車并排開(kāi)的寬敞道路，而且它還有雙向單向之分；另一種為串行總線，它 在同一時(shí)刻只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，好比只容許一輛車行走的狹窄道路，數(shù)據(jù)必須一個(gè)接一個(gè)傳輸、看起來(lái)仿佛一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)串，故稱為“串行”。

　 　并行總線和串行總線的描述參數(shù)存在一定差別。對(duì)并行總線來(lái)說(shuō)，描述的性能參數(shù)有以下三個(gè)：總線寬度、時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)傳輸頻率。其中，總線寬度就是該總線 可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，好比是車道容許并排行走的車輛的數(shù)量；例如，16位總線在同一時(shí)刻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為16位，也就是2個(gè)字節(jié)；而32位總線可同時(shí)傳輸4 個(gè)字節(jié)，64位總線可以同時(shí)傳輸8個(gè)字節(jié)......顯然，總線的寬度越大，它在同一時(shí)刻就能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。不過(guò)總線的位寬無(wú)法無(wú)限制增加。時(shí)鐘頻率 和數(shù)據(jù)傳輸頻率的概念在上一期的文章中有過(guò)詳細(xì)介紹，我們就不作贅述。

　　總線的帶寬指的是這條總線在單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，它 等于總線位寬與工作頻率的乘積。例如，對(duì)于64位、800MHz的前端總線，它的數(shù)據(jù)傳輸率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)= 6.4GB/s；32位、33MHz PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸率就是32bit×33MHz÷8=133MB/s，等等，這項(xiàng)法則可以用于所有并行總線上面——看到這里，讀者應(yīng)該明白我們所說(shuō)的 總線帶寬指的就是它的數(shù)據(jù)傳輸率，其實(shí)“總線帶寬”的概念同“電路帶寬”的原始概念已經(jīng)風(fēng)馬牛不相及。
對(duì)串行總線來(lái)說(shuō)，帶寬和工作頻率的概念與并行總線完全相同，只是它改變了傳統(tǒng)意義上的總線位寬的概念。在頻率 相同的情況下，并行總線比串行總線快得多，那么，為什么現(xiàn)在各類并行總線反而要被串行總線接替呢？原因在于并行總線雖然一次可以傳輸多位數(shù)據(jù)，但它存在并 行傳輸信號(hào)間的干擾現(xiàn)象，頻率越高、位寬越大，干擾就越嚴(yán)重，因此要大幅提高現(xiàn)有并行總線的帶寬是非常困難的；而串行總線不存在這個(gè)問(wèn)題，總線頻率可以大 幅向上提升，這樣串行總線就可以憑借高頻率的優(yōu)勢(shì)獲得高帶寬。而為了彌補(bǔ)一次只能傳送一位數(shù)據(jù)的不足，串行總線常常采用多條管線（或通道）的做法實(shí)現(xiàn)更高 的速度——管線之間各自獨(dú)立，多條管線組成一條總線系統(tǒng)，從表面看來(lái)它和并行總線很類似，但在內(nèi)部它是以串行原理運(yùn)作的。對(duì)這類總線，帶寬的計(jì)算公式就等 于“總線頻率×管線數(shù)”，這方面的例子有PCI Express和HyperTransport，前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多個(gè)版本，在第一代PCI Express技術(shù)當(dāng)中，單通道的單向信號(hào)頻率可達(dá)2.5GHz，我們以×16舉例，這里的16就代表16對(duì)雙向總線，一共64條線路，每4條線路組成一 個(gè)通道，二條接收，二條發(fā)送。這樣我們可以換算出其總線的帶寬為2.5GHz×16/10=4GB/s（單向）。除10是因?yàn)槊孔止?jié)采用10位編碼。
三、 內(nèi)存中的帶寬

　　除總線之外，內(nèi)存也存在類似的帶寬概念。其實(shí)所謂的內(nèi)存帶寬，指的也就是內(nèi)存總線所能提供的數(shù)據(jù)傳輸能力，但它決定于內(nèi)存芯片和內(nèi)存模組而非純粹的總線設(shè)計(jì)，加上地位重要，往往作為單獨(dú)的對(duì)象討論。

　 　SDRAM、DDR和DDRⅡ的總線位寬為64位，RDRAM的位寬為16位。而這兩者在結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別：SDRAM、DDR和DDRⅡ的64位總線 必須由多枚芯片共同實(shí)現(xiàn)，計(jì)算方法如下：內(nèi)存模組位寬=內(nèi)存芯片位寬×單面芯片數(shù)量（假定為單面單物理BANK）；如果內(nèi)存芯片的位寬為8位，那么模組中 必須、也只能有8顆芯片，多一枚、少一枚都是不允許的；如果芯片的位寬為4位，模組就必須有16顆芯片才行，顯然，為實(shí)現(xiàn)更高的模組容量，采用高位寬的芯 片是一個(gè)好辦法。而對(duì)RDRAM來(lái)說(shuō)就不是如此，它的內(nèi)存總線為串聯(lián)架構(gòu)，總線位寬就等于內(nèi)存芯片的位寬。
和并行總線一樣，內(nèi)存的帶寬等于位寬與數(shù)據(jù)傳輸頻率的乘積，例如，DDR400內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸頻率為 400MHz，那么單條模組就擁有64bit×400MHz÷8(Byte)=3.2GB/s的帶寬；PC 800標(biāo)準(zhǔn)RDRAM的頻率達(dá)到800MHz，單條模組帶寬為16bit×800MHz÷ 8=1.6GB/s。為了實(shí)現(xiàn)更高的帶寬，在內(nèi)存控制器中使用雙通道技術(shù)是一個(gè)理想的辦法，所謂雙通道就是讓兩組內(nèi)存并行運(yùn)作，內(nèi)存的總位寬提高一倍，帶 寬也隨之提高了一倍！

　　帶寬可以說(shuō)是內(nèi)存性能最主要的標(biāo)志，業(yè)界也以內(nèi)存帶寬作為主要的分類標(biāo)準(zhǔn)，但它并非決定性能的唯一要素，在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)存延遲的影響并不亞于帶寬。如果延遲時(shí)間太長(zhǎng)的話相當(dāng)不利，此時(shí)即便帶寬再高也無(wú)濟(jì)于事。
四、 帶寬匹配的問(wèn)題

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在形形色色的總線，這不可避免帶來(lái)總線速度匹配問(wèn)題，其中最常出問(wèn)題的地方在于前端總線和內(nèi)存、南北橋總線和PCI總線。
前端總線與內(nèi)存匹配與否對(duì)整套系統(tǒng)影響最大，最理想的情況是前端總線帶寬與內(nèi)存帶寬相等，而且內(nèi)存延遲要盡可 能低。在Pentium4剛推出的時(shí)候，Intel采用RDRAM內(nèi)存以達(dá)到同前端總線匹配，但RDRAM成本昂貴，嚴(yán)重影響推廣工作，Intel曾推出 搭配PC133 SDRAM的845芯片組，但SDRAM僅能提供1.06GB/s的帶寬，僅相當(dāng)于400MHz前端總線帶寬的1/3，嚴(yán)重不匹配導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅度下 降；后來(lái)，Intel推出支持DDR266的845D才勉強(qiáng)好轉(zhuǎn)，但仍未實(shí)現(xiàn)與前端總線匹配；接著，Intel將P4前端總線提升到533MHz、帶寬增 長(zhǎng)至5.4GB/s，雖然配套芯片組可支持DDR333內(nèi)存，可也僅能滿足1/2而已；現(xiàn)在，P4的前端總線提升到800MHz，而配套的 865/875P芯片組可支持雙通道DDR400——這個(gè)時(shí)候才實(shí)現(xiàn)匹配的理想狀態(tài)，當(dāng)然，這個(gè)時(shí)候繼續(xù)提高內(nèi)存帶寬意義就不是特別大，因?yàn)樗隽饲岸?總線的接收能力。
南北橋總線帶寬曾是一個(gè)尖銳的問(wèn)題，早期的芯片組都是通過(guò)PCI總線來(lái)連接南北橋，而它所能提供的帶寬僅僅只 有133MB/s，若南橋連接兩個(gè)ATA-100硬盤、100M網(wǎng)絡(luò)、IEEE1394接口......區(qū)區(qū)133MB/s帶寬勢(shì)必形成嚴(yán)重的瓶頸，為 此，各芯片組廠商都發(fā)展出不同的南北橋總線方案，如Intel的Hub-Link、VIA的V-Link、SiS 的MuTIOL，還有AMD的 HyperTransport等等，目前它們的帶寬都大大超過(guò)了133MB/s，最高紀(jì)錄已超過(guò)1GB/s，瓶頸效應(yīng)已不復(fù)存在。

　　 PCI總線帶寬不足還是比較大的矛盾，目前PC上使用的PCI總線均為32位、33MHz類型，帶寬133MB/s，而這區(qū)區(qū)133MB/s必須滿足網(wǎng) 絡(luò)、硬盤控制卡（如果有的話）之類的擴(kuò)展需要，一旦使用千兆網(wǎng)絡(luò)，瓶頸馬上出現(xiàn)，業(yè)界打算自2004年開(kāi)始以PCI Express總線來(lái)全面取代PCI總線，屆時(shí)PCI帶寬不足的問(wèn)題將成為歷史。
五、 顯示器中的帶寬

　　以上我們所說(shuō)的“帶寬”指的都是速度概念，但對(duì)CRT顯示器來(lái)說(shuō)，它所指的帶寬則是頻率概念、屬于電路范疇，更符合“帶寬”本來(lái)的含義。

　 　要了解顯示器帶寬的真正含義，必須簡(jiǎn)單介紹一下CRT顯示器的工作原理——由燈絲、陰極、控制柵組成的電子槍，向外發(fā)射電子流，這些電子流被擁有高電壓 的加速器加速后獲得很高的速度，接著這些高速電子流經(jīng)過(guò)透鏡聚焦成極細(xì)的電子束打在屏幕的熒光粉層上，而被電子束擊中的地方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)；光點(diǎn)的位置 由偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制，而通過(guò)控制電子束的強(qiáng)弱和通斷狀態(tài)就可以在屏幕上形成不同顏色、不同灰度的光點(diǎn)——在某一個(gè)特定的時(shí)刻，整個(gè)屏幕上其實(shí)只有一 個(gè)點(diǎn)可以被電子束擊中并發(fā)光。為了實(shí)現(xiàn)滿屏幕顯示，這些電子束必須從左到右、從上到下一個(gè)一個(gè)象素點(diǎn)進(jìn)行掃描，若要完成800×600分辨率的畫面顯示， 電子槍必須完成800×600=480000個(gè)點(diǎn)的順序掃描。由于熒光粉受到電子束擊打后發(fā)光的時(shí)間很短，電子束在掃描完一個(gè)屏幕后必須立刻再?gòu)念^開(kāi)始 ——這個(gè)過(guò)程其實(shí)十分短暫，在一秒鐘時(shí)間電子束往往都能完成超過(guò)85個(gè)完整畫面的掃描、屏幕畫面更新85次，人眼無(wú)法感知到如此小的時(shí)間差異會(huì)“誤以為” 屏幕處于始終發(fā)亮的狀態(tài)。而每秒鐘屏幕畫面刷新的次數(shù)就叫場(chǎng)頻，或稱為屏幕的垂直掃描頻率、以Hz（赫茲）為單位，也就是我們俗稱的“刷新率”。以800 ×600分辨率、85Hz刷新率計(jì)算，電子槍在一秒鐘至少要掃描800×600×85=40800000個(gè)點(diǎn)的顯示；如果將分辨率提高到1024× 768，將刷新率提高到100Hz，電子槍要掃描的點(diǎn)數(shù)將大幅提高。

　　按照業(yè)界公認(rèn)的計(jì)算方法，顯示器帶寬指的就是顯示器的電子槍在一 秒鐘內(nèi)可掃描的最高點(diǎn)數(shù)總和，它等于“水平分辨率×垂直分辨率×場(chǎng)頻（畫面刷新次數(shù)）”，單位為MHz(兆赫)；由于顯像管電子束的掃描過(guò)程是非線性的， 為避免信號(hào)在掃描邊緣出現(xiàn)衰減影響效果、保證圖像的清晰度，總是將邊緣掃描部分忽略掉，但在電路中它們依然是存在的。因此，我們?cè)谟?jì)算顯示器帶寬的時(shí)候還 應(yīng)該除一個(gè)取值為0.6~0.8 的“有效掃描系數(shù)”，故得出帶寬計(jì)算公式如下：“帶寬＝水平像素（行數(shù)）×垂直像素（列數(shù)）×場(chǎng)頻（刷新頻率）÷掃描系數(shù)”。掃描系數(shù)一般取為 0.744。例如，要獲得分辨率1024×768、刷新率85Hz的畫面，所需要的帶寬應(yīng)該等于：1024×768×85÷0.744，結(jié)果大約是 90MHz。

　　不過(guò)，這個(gè)定義并不符合帶寬的原意，稱之為“像素掃描頻率”似乎更為貼切。帶寬的 最初概念確實(shí)也是電路中的問(wèn)題——簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是：在“帶寬”這個(gè)頻率寬度之內(nèi)，放大器可以處于良好的工作狀態(tài)，如果超出帶寬范圍，信號(hào)會(huì)很快出現(xiàn)衰減失真 現(xiàn)象。從本質(zhì)上說(shuō)，顯示器的帶寬描述的也是控制電路的頻率范圍，帶寬高低直接決定顯示器所能達(dá)到的性能等級(jí)。由于前文描述的“像素掃描頻率”與控制電路的 “帶寬”基本是成正比關(guān)系，顯示器廠商就干脆把它當(dāng)作顯示器的“帶寬”——這種做法當(dāng)然沒(méi)有什么錯(cuò)，只是容易讓人產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。當(dāng)然，從用戶的角度考 慮沒(méi)必要追究這么多，畢竟以“像素掃描頻率”作為“帶寬”是很合乎人們習(xí)慣的，大家可方便使用公式計(jì)算出達(dá)到某種顯示狀態(tài)需要的最低帶寬數(shù)值。

　 　但是反過(guò)來(lái)說(shuō)，“帶寬數(shù)值完全決定著屏幕的顯示狀態(tài)”是否也成立呢？答案是不完全成立，因?yàn)槠聊坏娘@示狀態(tài)除了與帶寬有關(guān)系之外，還與一個(gè)重要的概念相 關(guān)——它就是“行頻”。行頻又稱為“水平掃描頻率”，它指的是電子槍每秒在熒光屏上掃描過(guò)的水平線數(shù)量，計(jì)算公式為：“行頻＝垂直分辨率×場(chǎng)頻（畫面刷新 率）×1.07”，其中1.07為校正參數(shù)，因?yàn)轱@示屏上下方都存在我們看不到的區(qū)域?？梢?jiàn)，行頻是一個(gè)綜合分辨率和刷新率的參數(shù)，行頻越大，顯示器就可 以提供越高的分辨率或者刷新率。例如，1臺(tái)17寸顯示器要在1600×1200分辨率下達(dá)到75Hz的刷新率，那么帶寬值至少需要221MHz，行頻則需 要96KHz，兩項(xiàng)條件缺一不可；要達(dá)到這么高的帶寬相對(duì)容易，而要達(dá)到如此高的行頻就相當(dāng)困難，后者成為主要的制約因素，而出于商業(yè)因素考慮，顯示器廠 商會(huì)突出帶寬而忽略行頻，這種宣傳其實(shí)是一種誤導(dǎo)。

六、 通訊中的帶寬

　　在通訊和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，帶寬的含義又與上述定義存在差異，它指的是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說(shuō)是“頻帶的寬度”，也就是所謂的“Bandwidth”、“信道帶寬”——這也是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)定義。

　 　在100M以太網(wǎng)之類的銅介質(zhì)布線系統(tǒng)中，雙絞線的信道帶寬通常用MHz為單位，它指的是信噪比恒定的情況下允許的信道頻率范圍，不過(guò)，網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬 與它的數(shù)據(jù)傳輸能力（單位Byte/s）存在一個(gè)穩(wěn)定的基本關(guān)系。我們也可以用高速公路來(lái)作比喻：在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的數(shù) 據(jù)運(yùn)輸能力，而這條高速路允許形成的寬度就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的帶寬。顯然，帶寬越高、數(shù)據(jù)傳輸可利用的資源就越多，因而能達(dá)到越高的速度；除此之外，我們還可以 通過(guò)改善信號(hào)質(zhì)量和消除瓶頸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度。

　　網(wǎng)絡(luò)帶寬與數(shù)據(jù)傳輸能力的正比關(guān)系最早是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師Claude Shannon所發(fā)現(xiàn)，因此這一規(guī)律也被稱為Shannon定律。而通俗起見(jiàn)普遍也將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力與“網(wǎng)絡(luò)帶寬”完全等同起來(lái)，這樣“網(wǎng)絡(luò)帶寬”表 面上看與“總線帶寬”形成概念上的統(tǒng)一，但這兩者本質(zhì)上就不是一個(gè)意思、相差甚遠(yuǎn)。

七、 總結(jié)：帶寬與性能

　　對(duì)總線和 內(nèi)存來(lái)說(shuō)，帶寬高低對(duì)系統(tǒng)性能有著舉足輕重的影響——倘若總線、內(nèi)存的帶寬不夠高的話，處理器的工作頻率再高也無(wú)濟(jì)于事，因此帶寬可謂是與頻率并立的兩大 性能決定要素。而對(duì)CRT顯示器而言，帶寬越高，往往可以獲得更高的分辨率、顯示精度越高，不過(guò)現(xiàn)在CRT顯示器的帶寬都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)分辨率下85Hz刷 新率或以上的顯示需要（相信沒(méi)有太多的朋友喜歡用非常高的分辨率去運(yùn)行程序或者游戲），這樣帶寬高低就不是一個(gè)太敏感的參數(shù)了，當(dāng)然，如果你追求高顯示品 質(zhì)那是另一回事了。