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!