各個領域中的帶寬

在各類電子設備和元器件中，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)絡的帶寬等等；對這些設備而言，帶寬是一個非常重要的指標。不過容易讓人迷惑的是，在顯示器中它的單位是MHz，這是一個頻率的概念；而在總線和內(nèi)存中的單位則是GB/s，相當于數(shù)據(jù)傳輸率的概念；而在通訊領域，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的是同一個內(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固有通頻帶，這個概念或許比較抽象，我們有必要作進一步解釋。大家都知道，各類復雜的電子電路無一例外都存在電感、電容或相當功能的儲能元件，即使沒有采用現(xiàn)成的電感線圈或電容，導線自身就是一個電感，而導線與導線之間、導線與地之間便可以組成電容——這就是通常所說的雜散電容或分布電容；不管是哪種類型的電容、電感，都會對信號起著阻滯作用從而消耗信號能量，嚴重的話會影響信號品質(zhì)。這種效應與交流電信號的頻率成正比關系，當頻率高到一定程度、令信號難以保持穩(wěn)定時，整個電子電路自然就無法正常工作。為此，電子學上就提出了“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)絡中的帶寬等等。

而第二種帶寬的概念大家也許會更熟悉，它所指的其實是數(shù)據(jù)傳輸率，譬如內(nèi)存帶寬、總線帶寬、網(wǎng)絡帶寬等等，都是以“字節(jié)/秒”為單位。我們不清楚從什么時候起這些數(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。

對于電子電路中的帶寬，決定因素在于電路設計。它主要是由高頻放大部分元件的特性決定，而高頻電路的設計是比較困難的部分，成本也比普通電路要高很多。這部分內(nèi)容涉及到電路設計的知識，對此我們就不做深入的分析。而對于總線、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，在這兩個領域，帶寬等于工作頻率與位寬的乘積，因此帶寬和工作頻率、位寬兩個指標成正比。不過工作頻率或位寬并不能無限制提高，它們受到很多因素的制約，我們會在接下來的總線、內(nèi)存部分對其作專門論述。

在計算機系統(tǒng)中，總線的作用就好比是人體中的神經(jīng)系統(tǒng)，它承擔的是所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆氊煟鱾€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，各類擴展設備通過PCI、PCI-X總線與系統(tǒng)連接；主機與外部設備的連接也是通過總線進行，如目前流行的USB 2.0、IEEE1394總線等等，一句話，在一部計算機系統(tǒng)內(nèi)，所有數(shù)據(jù)交換的需求都必須通過總線來實現(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，它在同一時刻可以傳輸多位數(shù)據(jù)，好比是一條允許多輛車并排開的寬敞道路，而且它還有雙向單向之分；另一種為串行總線，它在同一時刻只能傳輸一個數(shù)據(jù)，好比只容許一輛車行走的狹窄道路，數(shù)據(jù)必須一個接一個傳輸、看起來仿佛一個長長的數(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。對并行總線來說，描述的性能參數(shù)有以下三個：總線寬度、時鐘頻率、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位總線在同一時刻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為16位，也就是2個字節(jié)；而32位總線可同時傳輸4個字節(jié)，64位總線可以同時傳輸8個字節(jié)......顯然，總線的寬度越大，它在同一時刻就能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)。不過總線的位寬無法無限制增加。時鐘頻率和數(shù)據(jù)傳輸頻率的概念在上一期的文章中有過詳細介紹，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，這項法則可以用于所有并行總線上面——看到這里，讀者應該明白我們所說的總線帶寬指的就是它的數(shù)據(jù)傳輸率，其實“總線帶寬”的概念同“電路帶寬”的原始概念已經(jīng)風馬牛不相及。

對串行總線來說，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間的干擾現(xiàn)象，頻率越高、位寬越大，干擾就越嚴重，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問題，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)勢獲得高帶寬。而為了彌補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）的做法實現(xiàn)更高的速度——管線之間各自獨立，多條管線組成一條總線系統(tǒng)，從表面看來它和并行總線很類似，但在內(nèi)部它是以串行原理運作的。對這類總線，帶寬的計算公式就等于“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多個版本，在第一代PCI Express技術當中，單通道的單向信號頻率可達2.5GHz，我們以×16舉例，這里的16就代表16對雙向總線，一共64條線路，每4條線路組成一個通道，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是因為每字節(jié)采用10位編碼。

二、 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計，加上地位重要，往往作為單獨的對象討論。

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現(xiàn)，計算方法如下：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，為實現(xiàn)更高的模組容量，采用高位寬的芯片是一個好辦法。而對RDRAM來說就不是如此，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標準RDRAM的頻率達到800MHz，單條模組帶寬為16bit×800MHz÷ 8=1.6GB/s。為了實現(xiàn)更高的帶寬，在內(nèi)存控制器中使用雙通道技術是一個理想的辦法，所謂雙通道就是讓兩組內(nèi)存并行運作，內(nèi)存的總位寬提高一倍，帶寬也隨之提高了一倍！

帶寬可以說是內(nèi)存性能最主要的標志，業(yè)界也以內(nèi)存帶寬作為主要的分類標準，但它并非決定性能的唯一要素，在實際應用中，內(nèi)存延遲的影響并不亞于帶寬。如果延遲時間太長的話相當不利，此時即便帶寬再高也無濟于事。

三、 帶寬匹配的問題

計算機系統(tǒng)中存在形形色色的總線，這不可避免帶來總線速度匹配問題，其中最常出問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剛推出的時候，Intel采用RDRAM內(nèi)存以達到同前端總線匹配，但RDRAM成本昂貴，嚴重影響推廣工作，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，僅相當于400MHz前端總線帶寬的1/3，嚴重不匹配導致系統(tǒng)性能大幅度下降；后來，Intel推出支持DDR266的845D才勉強好轉(zhuǎn)，但仍未實現(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——這個時候才實現(xiàn)匹配的理想狀態(tài)，當然，這個時候繼續(xù)提高內(nèi)存帶寬意義就不是特別大，因為它超出了前端總線的接收能力。

南北橋總線帶寬曾是一個尖銳的問題，早期的芯片組都是通過PCI總線來連接南北橋，而它所能提供的帶寬僅僅只有133MB/s，若南橋連接兩個ATA-100硬盤、100M網(wǎng)絡、IEEE1394接口......區(qū)區(qū)133MB/s帶寬勢必形成嚴重的瓶頸，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了133MB/s，最高紀錄已超過1GB/s，瓶頸效應已不復存在。

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、硬盤控制卡（如果有的話）之類的擴展需要，一旦使用千兆網(wǎng)絡，瓶頸馬上出現(xiàn)，業(yè)界打算自2004年開始以PCI Express總線來全面取代PCI總線，屆時PCI帶寬不足的問題將成為歷史。

四、 顯示器中的帶寬

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

要了解顯示器帶寬的真正含義，必須簡單介紹一下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)過透鏡聚焦成極細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產(chǎn)生一個光點；光點的位置由偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場控制，而通過控制電子束的強弱和通斷狀態(tài)就可以在屏幕上形成不同顏色、不同灰度的光點——在某一個特定的時刻，整個屏幕上其實只有一個點可以被電子束擊中并發(fā)光。為了實現(xiàn)滿屏幕顯示，這些電子束必須從左到右、從上到下一個一個象素點進行掃描，若要完成800×600分辨率的畫面顯示，電子槍必須完成800×600=480000個點的順序掃描。由于熒光粉受到電子束擊打后發(fā)光的時間很短，電子束在掃描完一個屏幕后必須立刻再從頭開始——這個過程其實十分短暫，在一秒鐘時間電子束往往都能完成超過85個完整畫面的掃描、屏幕畫面更新85次，人眼無法感知到如此小的時間差異會“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刷新率計算，電子槍在一秒鐘至少要掃描800×600×85=40800000個點的顯示；如果將分辨率提高到1024×768，將刷新率提高到100Hz，電子槍要掃描的點數(shù)將大幅提高。

按照業(yè)界公認的計算方法，顯示器帶寬指的就是顯示器的電子槍在一秒鐘內(nèi)可掃描的最高點數(shù)總和，它等于“水平分辨率×垂直分辨率×場頻（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程是非線性的，為避免信號在掃描邊緣出現(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，我們在計算顯示器帶寬的時候還應該除一個取值為0.6~0.8 的“有效掃描系數(shù)”，故得出帶寬計算公式如下：“帶寬＝水平像素（行數(shù)）×垂直像素（列數(shù)）×場頻（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，所需要的帶寬應該等于：1024×768×85÷0.744，結(jié)果大約是90MHz。

不過，這個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 最初概念確實也是電路中的問題——簡單點說就是：在“帶寬”這個頻率寬度之內(nèi)，放大器可以處于良好的工作狀態(tài)，如果超出帶寬范圍，信號會很快出現(xiàn)衰減失真現(xiàn)象。從本質(zhì)上說，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到的性能等級。由于前文描述的“像素掃描頻率”與控制電路的“帶寬”基本是成正比關系，顯示器廠商就干脆把它當作顯示器的“帶寬”——這種做法當然沒有什么錯，只是容易讓人產(chǎn)生認識上的誤區(qū)。當然，從用戶的角度考慮沒必要追究這么多，畢竟以“像素掃描頻率”作為“帶寬”是很合乎人們習慣的，大家可方便使用公式計算出達到某種顯示狀態(tài)需要的最低帶寬數(shù)值。

但是反過來說，“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，因為屏幕的顯示狀態(tài)除了與帶寬有關系之外，還與一個重要的概念相關——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的水平線數(shù)量，計算公式為：“行頻＝垂直分辨率×場頻（畫面刷新率）×1.07”，其中1.07為校正參數(shù)，因為顯示屏上下方都存在我們看不到的區(qū)域。可見，行頻是一個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17寸顯示器要在1600×1200分辨率下達到75Hz的刷新率，那么帶寬值至少需要221MHz，行頻則需要96KHz，兩項條件缺一不可；要達到這么高的帶寬相對容易，而要達到如此高的行頻就相當困難，后者成為主要的制約因素，而出于商業(yè)因素考慮，顯示器廠商會突出帶寬而忽略行頻，這種宣傳其實是一種誤導。

五、 通訊中的帶寬

在通訊和網(wǎng)絡領域，帶寬的含義又與上述定義存在差異，它指的是網(wǎng)絡信號可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說是“頻帶的寬度”，也就是所謂的“Bandwidth”、“信道帶寬”——這也是最嚴謹?shù)募夹g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，網(wǎng)絡的信道帶寬與它的數(shù)據(jù)傳輸能力（單位Byte/s）存在一個穩(wěn)定的基本關系。我們也可以用高速公路來作比喻：在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相當于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)運輸能力，而這條高速路允許形成的寬度就相當于網(wǎng)絡的帶寬。顯然，帶寬越高、數(shù)據(jù)傳輸可利用的資源就越多，因而能達到越高的速度；除此之外，我們還可以通過改善信號質(zhì)量和消除瓶頸效應實現(xiàn)更高的傳輸速度。

網(wǎng)絡帶寬與數(shù)據(jù)傳輸能力的正比關系最早是由貝爾實驗室的工程師Claude Shannon所發(fā)現(xiàn)，因此這一規(guī)律也被稱為Shannon定律。而通俗起見普遍也將網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力與“網(wǎng)絡帶寬”完全等同起來，這樣“網(wǎng)絡帶寬”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)上就不是一個意思、相差甚遠。

六、 總結(jié)：帶寬與性能

對總線和內(nèi)存來說，帶寬高低對系統(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濟于事，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，不過現(xiàn)在CRT顯示器的帶寬都能夠滿足標準分辨率下85Hz刷新率或以上的顯示需要（相信沒有太多的朋友喜歡用非常高的分辨率去運行程序或者游戲），這樣帶寬高低就不是一個太敏感的參數(shù)了，當然，如果你追求高顯示品質(zhì)那是另一回事了。

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