各種帶寬概念詳解,適合初學(xué)者

1、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，帶寬的兩種概念第一種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，

2、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 電容一一這就是通常所說(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

3、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).區(qū)別：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

4、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

5、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)

6、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 64bitX800MHz：8（Byte）=6.4GB/s;32 位,33MHz PCI 總線的數(shù)據(jù)傳輸率就是 32bitX33MHz：8=133MB/s，等等，這項(xiàng)法則可以用于所有并行總線上面一一看到這里 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

7、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)更高的速度一一管線之間

8、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X管線數(shù)，這方面的例子有PCI Express和HyperTransport,前者有X 1, X2,X4,X8, X16和X32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X 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2.5GHzX16/10=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

9、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X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

10、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64bitX400MHz：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16bitX800MHz： 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

11、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P

12、C133 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隽饲岸丝偩€的接收能力.南北橋

13、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/

14、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顯示器的工作原理一一由燈 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

15、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)一一在某一個(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800X600分辨率的畫面顯示，電子槍必須完成800X600=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^開始一一這個(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

16、，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800X600 分辨率,85Hz刷新率計(jì)算，電子槍在一秒鐘至少要掃描800X600X85=40800000個(gè)點(diǎn)的 顯示;如果將分辨率提高到1024X768,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X垂直分辨率X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

17、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0.60.8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)）X垂直像素（列數(shù)） X場(chǎng)頻（刷新頻率）9掃描系數(shù).掃描系數(shù)一般取為0.744.例如，要獲得分辨率 1024X768,刷新率85Hz的畫面，所需要的帶寬應(yīng)該等于:1024X768X8590.744,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)題一一簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是:在帶寬這個(gè)頻率寬度之 內(nèi)，

18、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)作顯示器的帶寬一一這種做法當(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

19、，還與一個(gè)重要的概念相關(guān)一一 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X場(chǎng)頻（畫面刷新率）X1.07”, 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.可見(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1600X1200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”, 信道帶寬一