带宽

在各类电子设备和元器件中，都可以接触到带宽的概念，例如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不是同一个内涵。

通常表示一个网络或者数据传输媒体携带的数据的容量。它表示在单位时间内从一点到另一点能够传递的最大数据量。

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。

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USB2.0、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。

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、33MHzPCI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PCIExpress和HyperTransport，前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多个版本，在第一代PCIExpress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。

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；PC800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，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。

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，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PC133SDRAM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PCIExpress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。

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。

南桥	北桥	贝尔实验室
数据传输	数据交换	信噪比
前端总线	PCI总线	硬盘控制卡