带宽的两种概念

在各类电子设备和元器件中，我们都可以接触到带宽的概念，例如我们熟知的显示 器的带宽、内存的带宽、总线的带宽和网络的带宽等等；对这些设备而言，带宽是一个 非常重要的指标。不过容易让人迷惑的是，在显示器中它的单位是MHz，这是一个频率 的概念；而在总线和内存中的单位则是GB/S，相当于数据传输率的概念；而在通讯领域， 带宽的描述单位又变成了 MHz、GHz这两种不同单位的带宽表达的是同一个内涵么？二者存在哪些方面的联系呢？本文就带你走入精彩的带宽世界。一、带宽的两种概念如果从电子电路角度出发，带宽(Bandwidth )本意指的是电子电路中存在一个固 有通频带，这个概念或许比较抽象，我们有必要作进一步解释。大家都知道，各类复杂 的电子电路无一例外都存在电感、电容或相当功能的储能元件，即使没有采用现成的电 感线圈或电容，导线自身就是一个电感，而导线与导线之间、导线与地之间便可以组成 电容这就是通常所说的杂散电容或分布电容；不管是哪种类型的电容、电感，都会 对信号起着阻滞作用从而消耗信号能量，严重的话会影响信号品质。这种效应与交流电 信号的频率成正比关系，当频率高到一定程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路 自然就无法正常工作。为此，电子学上就提出了 带宽”的概念，它指的是电路可以保 持稳定工作的频率范围。而属于该体系的有显示器带宽、通讯/网络中的带宽等等。 而第二种带宽的概念大家也许会更熟悉，它所指的其实是数据传输率，譬如内存带 宽、总线带宽、网络带宽等等，都是以“字节/秒”为单位。我们不清楚从什么时候起 这些数据传输率的概念被称为带宽”，但因业界与公众都接受了这种说法，代表数据 传输率的带宽概念非常流行，尽管它与电子电路中带宽”的本意相差很远。对于电子电路中的带宽，决定因素在于电路设辻。它主要是由高频放大部分元件的 特性决定，而高频电路的设计是比较困难的部分，成本也比普通电路要高很多。这部分 内容涉及到电路设计的知识，对此我们就不做深入的分析。而对于总线、内存中的带宽， 决定其数值的主要因素在于工作频率和位宽，在这两个领域，带宽等于工作频率与位宽 的乘积，因此带宽和工作频率、位宽两个指标成正比。不过工作频率或位宽并不能无限 制提高，它们受到很多因素的制约，我们会在接下来的总线、内存部分对其作专门论述。二、总线中的带宽在计算机系统中，总线的作用就好比是人体中的神经系统，它承担的是所有数据传输的职责，而各个子系统间都必须籍由总线才能通讯，例如，CPU和北桥间有前端总线、 北桥与显卡间为AGP总线、芯片组间有南北桥总线，各类扩展设备通过PCI、PCI-X总 线与系统连接；主机与外部设备的连接也是通过总线进行，如目前流行的USL 2.0、 IEEE1394总线等等，一句话，在一部计算机系统内，所有数据交换的需求都必须通过总线来实现！按照工作模式不同，总线可分为两种类型，一种是并行总线，它在同一时刻可以传 输多位数据，好比是一条允许多辆车并排开的宽敞道路，而且它还有双向单向之分；另 一种为串行总线，它在同一时刻只能传输一个数据，好比只容许一辆车行走的狭窄道路， 数据必须一个接一个传输、看起来仿佛一个长长的数据串，故称为“串行”。并行总线和串行总线的描述参数存在一定差别。对并行总线来说，描述的性能参数 有以下三个：总线宽度、时钟频率、数据传输频率。其中，总线宽度就是该总线可同时 传输数据的位数，好比是车道容许并排行走的车辆的数量；例如，16位总线在同一时刻 传输的数据为16位，也就是2个字节；而32位总线可同时传输4个字节，64位总线可 以同时传输8个字节显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就能够传输更多的数 据。不过总线的位宽无法无限制增加。时钟频率和数据传输频率的概念在上一期的文章 中有过详细介绍，我们就不作赘述。总线的带宽指的是这条总线在单位时间内可以传输的数据总量，它等于总线位宽与 工作频率的乘积。例如，对于64位、800MHz的前端总线，它的数据传输率就等于 64bitx800MHz一8（Byte）=6.4GB/s ； 32 位、33MHz PCI 总线的数据传输率就是 32bitx33MHz一8=133MB/s，等等，这项法则可以用于所有并行总线上面看到这里， 读者应该明白我们所说的总线带宽指的就是它的数据传输率，其实“总线带宽”的概念 同电路带宽”的原始概念已经风马牛不相及。对串行总线来说，带宽和工作频率的概念与并行总线完全相同，只是它改变了传统 意义上的总线位宽的概念。在频率相同的情况下，并行总线比串行总线快得多，那么， 为什么现在各类并行总线反而要被串行总线接替呢？原因在于并行总线虽然一次可以 传输多位数据，但它存在并行传输信号间的干扰现象，频率越高、位宽越大，干扰就越 严重，因此要大幅提高现有并行总线的带宽是非常困难的；而串行总线不存在这个问题， 总线频率可以大幅向上提升，这样串行总线就可以凭借高频率的优势获得高带宽。而为 了弥补一次只能传送一位数据的不足，串行总线常常采用多条管线（或通道）的做法实 现更高的速度管线之间各自独立，多条管线组成一条总线系统，从表面看来它和并 行总线很类似，但在内部它是以串行原理运作的。对这类总线，带宽的计算公式就等于 总线频率x管线数”，这方面的例子有PCI Express和HyperTransport，前者有灯、 x2、x4、x8、x16和x32多个版本，在第一代PCI Express技术当中，单通道的单 向信号频率可达2.5GHz，我们以x16举例，这里的16就代表16对双向总线，一共64 条线路，每4条线路组成一个通道，二条接收，二条发送。这样我们可以换算出其总线 的带宽为2.5GHzx16/10=4GB/s （单向）。除10是因为每字节采用10位编码。三、内存中的带宽除总线之外，内存也存在类似的带宽概念。其实所谓的内存带宽，指的也就是内存 总线所能提供的数据传输能力，但它决定于内存芯片和内存模组而非纯粹的总线设计， 加上地位重要，往往作为单独的对象讨论。SDRAM、DDR和DDR II的总线位宽为64位，RDRAM的位宽为16位。而这两者在结构 上有很大区别：SDRAM、DDR和DDRII的64位总线必须由多枚芯片共同实现，计算方法 如下：内存模组位宽=内存芯片位宽x单面芯片数量(假定为单面单物理BANK )；如果 内存芯片的位宽为8位，那么模组中必须、也只能有8颗芯片，多一枚、少一枚都是不 允许的；如果芯片的位宽为4位，模组就必须有16颗芯片才行，显然，为实现更高的 模组容量，采用高位宽的芯片是一个好办法。而对RDRAM来说就不是如此，它的内存总 线为串联架构，总线位宽就等于内存芯片的位宽。和并行总线一样，内存的带宽等于位宽与数据传输频率的乘积，例如，DDR400内存的数据传输频率为400MHz，那么单条模组就拥有64bitx400MHz一8(Byte)=3.2GB/s的 带宽；PC 800标准RDRAM的频率达到800MHz，单条模组带宽为16bitx800MHz一 8=1.6GB/s。为了实现更高的带宽，在内存控制器中使用双通道技术是一个理想的办法， 所谓双通道就是让两组内存并行运作，内存的总位宽提高一倍，带宽也随之提高了一倍！ 带宽可以说是内存性能最主要的标志，业界也以内存带宽作为主要的分类标准，但 它并非决定性能的唯一要素，在实际应用中，内存延迟的影响并不亚于带宽。如果延迟 时间太长的话相当不利，此时即便带宽再高也无济于事。四、带宽匹配的问题计算机系统中存在形形色色的总线，这不可避免带来总线速度匹配问题，其中最常出问题的地方在于前端总线和内存、南北桥总线和PCI总线。前端总线与内存匹配与否对整套系统影响最大，最理想的情况是前端总线带宽与内 存带宽相等，而且内存延迟要尽可能低。在Pentium4刚推出的时候，Intel采用RDRAM 内存以达到同前端总线匹配，但RDRAM成本昂贵，严重影响推广工作，Intel曾推出搭配PC133 SDRAM的845芯片组，但SDRAM仅能提供1.06GB/S的带宽，仅相当于400MHz前端总线带宽的1/3，严重不匹配导致系统性能大幅度下降；后来，Intel推出支持DDR266的845D才勉强好转，但仍未实现与前端总线匹配；接着，Intel将P4前端总线 提升到533MHz、带宽增长至5.4GB/S，虽然配套芯片组可支持DDR333内存，可也仅能 满足1/2而已；现在，P4的前端总线提升到800MHz，而配套的865/875P芯片组可支持 双通道DDR400这个时候才实现匹配的理想状态，当然，这个时候继续提高内存带宽 意义就不是特别大，因为它超出了前端总线的接收能力。南北桥总线带宽曾是一个尖锐的问题，早期的芯片组都是通过PCI总线来连接南北桥，而它所能提供的带宽仅仅只有133MB/S，若南桥连接两个ATA-100硬盘、100M网络、 IEEE1394接口区区133MB/S带宽势必形成严重的瓶颈，为此，各芯片组厂商都发 展出不同的南北桥总线方案，如Intel的Hub-Link、VIA的V-Link、SiS的MuTIOL， 还有AMD的HyperTransport等等，目前它们的带宽都大大超过了 133MB/S，最高纪录 已超过1GB/S，瓶颈效应已不复存在。PCI总线带宽不足还是比较大的矛盾，目前PC上使用的PCI总线均为32位、33MHz 类型，带宽133MB/S，而这区区133MB/S必须满足网络、硬盘控制卡（如果有的话）之 类的扩展需要，一旦使用千兆网络，瓶颈马上出现，业界打算自2004年开始以PCI Express总线来全面取代PCI总线，届时PCI带宽不足的问题将成为历史。五、显示器中的带宽以上我们所说的带宽”指的都是速度概念，但对CRT显示器来说，它所指的带宽则是频率概念、属于电路范畴，更符合“带宽”本来的含义。要了解显示器带宽的真正含义，必须简单介绍一下CRT显示器的工作原理由灯 丝、阴极、控制栅组成的电子枪，向外发射电子流，这些电子流被拥有高电压的加速器 加速后获得很高的速度，接着这些高速电子流经过透镜聚焦成极细的电子束打在屏幕的 荧光粉层上，而被电子束击中的地方就会产生一个光点；光点的位置由偏转线圈产生的 磁场控制，而通过控制电子束的强弱和通断状态就可以在屏幕上形成不同颜色、不同灰 度的光点一一在某一个特定的时刻，整个屏幕上其实只有一个点可以被电子束击中并发 光。为了实现满屏幕显示，这些电子束必须从左到右、从上到下一个一个象素点进行扫 描，若要完成800x600分辨率的画面显示，电子枪必须完成800x600=480000个点的 顺序扫描。由于荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短，电子束在扫描完一个屏幕后 必须立刻再从头开始这个过程其实十分短暂，在一秒钟时间电子束往往都能完成超 过85个完整画面的扫描、屏幕画面更新85次，人眼无法感知到如此小的时间差异会误 以为”屏幕处于始终发亮的状态。而每秒钟屏幕画面刷新的次数就叫场频，或称为屏幕 的垂直扫描频率、以Hz （赫兹）为单位，也就是我们俗称的刷新率”。以800x600 分辨率、85Hz刷新率计算，电子枪在一秒钟至少要扫描800x600x85=40800000个点的 显示；如果将分辨率提高到1024x768,将刷新率提高到100Hz,电子枪要扫描的点数 将大幅提咼。按照业界公认的计算方法，显示器带宽指的就是显示器的电子枪在一秒钟内可扫描 的最高点数总和，它等于水平分辨率x垂直分辨率x场频（画面刷新次数）”，单位 为MHz（兆赫）；由于显像管电子束的扫描过程是非线性的，为避免信号在扫描边缘出现 衰减影响效果、保证图像的清晰度，总是将边缘扫描部分忽略掉，但在电路中它们依然 是存在的。因此，我们在计算显示器带宽的时候还应该除一个取值为0.60.8的“有效 扫描系数”，故得出带宽计算公式如下：带宽二水平像素（行数）x垂直像素（列数） x场频（刷新频率）一扫描系数”。扫描系数一般取为0.744。例如，要获得分辨率 1024x768、刷新率85Hz的画面，所需要的带宽应该等于：1024x768x85一0.744，结 果大约是90MHz。不过，这个定义并不符合带宽的原意，称之为“像素扫描频率”似乎更为贴切。带 宽的最初概念确实也是电路中的问题简单点说就是：在带宽”这个频率宽度之 内，放大器可以处于良好的工作状态，如果超出带宽范围，信号会很快出现衰减失真现 象。从本质上说，显示器的带宽描述的也是控制电路的频率范围，带宽高低直接决定显 示器所能达到的性能等级。由于前文描述的像素扫描频率”与控制电路的带宽”基 本是成正比关系，显示器厂商就干脆把它当作显示器的“带宽”这种做法当然没有 什么错，只是容易让人产生认识上的误区。当然，从用户的角度考虑没必要追究这么多， 毕竟以像素扫描频率”作为“带宽”是很合乎人们习惯的，大家可方便使用公式计算 出达到某种显示状态需要的最低带宽数值。但是反过来说，带宽数值完全决定着屏幕的显示状态”是否也成立呢？答案是不完全成立，因为屏幕的显示状态除了与带宽有关系之外，还与一个重要的概念相关 它就是“行频”。行频又称为水平扫描频率”，它指的是电子枪每秒在荧光屏上扫描 过的水平线数量，计算公式为：“行频二垂直分辨率x场频（画面刷新率）X1.07”， 其中1.07为校正参数，因为显示屏上下方都存在我们看不到的区域。可见，行频是一 个综合分辨率和刷新率的参数，行频越大，显示器就可以提供越高的分辨率或者刷新率。 例如，1台17寸显示器要在1600x1200分辨率下达到75Hz的刷新率，那么带宽值至少 需要221MHz，行频则需要96KHz，两项条件缺一不可；要达到这么高的带宽相对容易， 而要达到如此高的行频就相当困难，后者成为主要的制约因素，而出于商业因素考虑， 显示器厂商会突出带宽而忽略行频，这种宣传其实是一种误导。六、通讯中的带宽在通讯和网络领域，带宽的含义又与上述定义存在差异，它指的是网络信号可使用 的最高频率与最低频率之差、或者说是频带的宽度”，也就是所谓的Bandwidth”、 信道带宽”一一这也是最严谨的技术定义。在100M以太网之类的铜介质布线系统中，双绞线的信道带宽通常用 MHz为单位， 它指的是信噪比恒定的情况下允许的信道频率范围，不过，网络的信道带宽与它的数据 传输能力（单位Byte/s ）存在一个稳定的基本关系。我们也可以用高速公路来作比喻： 在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相当于网络的数据运输能力，而这条高速路 允许形成的宽度就相当于网络的带宽。显然，带宽越高、数据传输可利用的资源就越多， 因而能达到越高的速度；除此之外，我们还可以通过改善信号质量和消除瓶颈效应实现 更高的传输速度。网络带宽与数据传输能力的正比关系最早是由贝尔实验室的工程师ClaudeShannon所发现，因此这一规律也被称为Shannon定律。而通俗起见普遍也将网络的数 据传输能力与网络带宽”完全等同起来，这样网络带宽”表面上看与总线带宽” 形成概念上的统一，但这两者本质上就不是一个意思、相差甚远。七、总结：带宽与性能对总线和内存来说，带宽高低对系统性能有着举足轻重的影响倘若总线、内存 的带宽不够高的话，处理器的工作频率再高也无济于事，因此带宽可谓是与频率并立的 两大性能决定要素。而对CRT显示器而言，带宽越高，往往可以获得更高的分辨率、显 示精度越高，不过现在CRT显示器的带宽都能够满足标准分辨率下85Hz刷新率或以上 的显示需要（相信没有太多的朋友喜欢用非常高的分辨率去运行程序或者游戏），这样 带宽高低就不是一个太敏感的参数了，当然，如果你追求高显示品质那是另一回事了。