多种情况下带宽的不同定义

什么是带宽？
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？

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。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。
　　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。

总线中的带宽

　　在计算机系统中，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，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，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，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：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；例如，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。

　　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。在频率相同的情况下，并行总线比串行总线快得多，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，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”，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。

　　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、 显示器中的带宽
对 CRT 显示器来说，它所指的带宽是频率概念、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，必须介绍一下 CRT 显示器的原理：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。
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。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。但是说，“带宽数值完全决定着屏幕的显示状态”是否成立呢？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。

五、 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 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。

六、 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。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