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计.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USB 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
64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s;32位,33MHz PCI总线的数据传输率就是
32bit×33MHz÷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×管线数",这方面的例子有PCI Express和HyperTransport,前者有×1,
×2,×4,×8,×16和×32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×16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2.5GHz×16/10=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DDRⅡ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×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64bit×400MHz÷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16bit×800MHz÷
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——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800×600分辨率的画面显示,电子枪必须完成800×600=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800×600
分辨率,85Hz刷新率计算,电子枪在一秒钟至少要扫描800×600×85=40800000个点的
显示;如果将分辨率提高到1024×768,将刷新率提高到100Hz,电子枪要扫描的点数
将大幅提高.
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×垂直分辨率×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0.6~0.8 的"有效
扫描系数",故得出带宽计算公式如下:"带宽=水平像素(行数)×垂直像素(列数)
×场频(刷新频率)÷扫描系数".扫描系数一般取为0.744.例如,要获得分辨率
1024×768,刷新率85Hz的画面,所需要的带宽应该等于:1024×768×85÷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=垂直分辨率×场频(画面刷新率)×1.07",
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1600×1200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"——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Claude
Shannon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.
