電腦領(lǐng)域

　　“帶寬”在計(jì)算機(jī)中的意義

　　一、表示頻帶寬度

　　信號的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍。頻寬對基本輸出入系統(tǒng) (BIOS ) 設(shè)備尤其重要，如快速磁盤驅(qū)動(dòng)器會受低頻寬的總線所阻礙。[1]

　　二、表示通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力

　　在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”。對于帶寬的概念，比較形象的一個(gè)比喻是高速公路。單位時(shí)間內(nèi)能夠在線路上傳送的數(shù)據(jù)量，常用的單位是bps(bit per second)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的帶寬是指網(wǎng)絡(luò)可通過的最高數(shù)據(jù)率，即每秒多少比特。

　　嚴(yán)格來說，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的帶寬應(yīng)使用波特率來表示(baud)，表示每秒的脈沖數(shù)。而比特是信息單位，由于數(shù)字設(shè)備使用二進(jìn)制，則每位電平所承載的信息量是1(以2為底2的對數(shù)，如果是四進(jìn)制，則是以2為底的4的對數(shù)，每位電平所承載的信息量為2)。因此，在數(shù)值上，波特與比特是相同的。由于人們對這兩個(gè)概念分的并不是很清楚，因此常使用比特率來表示速率，也正是用比特的人太多，所以比特率也就成了一個(gè)帶寬事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)叫法了。[2]

　　1024bit/s=1Kbit/s

　　1024Kbit/s=1Mbit/s

　　1024Mbit/s=1Gbit/s

　　描述帶寬時(shí)常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是1M，實(shí)際上是1Mb/s，這里的Mb是指1024*1024位，轉(zhuǎn)換成字節(jié)就是(1024*1024)/8=131072字節(jié)(Byte)=128KB/s。

　　在網(wǎng)絡(luò)中有兩種不同的速率：

　　1、信號(即電磁波)在傳輸媒體上的傳播速率(米/秒，或公里/秒)

　　2、計(jì)算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送比特的速率(比特/秒)

　　這兩種速率的意義和單位完全不同。

　　在理解帶寬這個(gè)概念之前，我們首先來看一個(gè)公式：帶寬=時(shí)鐘頻率x總線位數(shù)/8，從公式中我們可以看到，帶寬和時(shí)鐘頻率、總線位數(shù)是有著非常密切的關(guān)系的。其實(shí)在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，不僅顯示器、內(nèi)存有帶寬的概念，在一塊板卡上，帶寬的概念就更多了，完全可以說是帶寬無處不在。

　　那到底什么是帶寬呢?帶寬的意義又是什么?簡單的說，帶寬就是傳輸速率，是指每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)(B/S)，即每秒處理多少字節(jié)，高帶寬則意味著系統(tǒng)的高處理能力。為了更形象地理解帶寬、位寬、時(shí)鐘頻率的關(guān)系，我們舉個(gè)比較形象的例子，工人加工零件，如果一個(gè)人干，在大家單個(gè)加工速度相同的情況下，肯定不如兩個(gè)人干的多，帶寬就像是工人能夠加工零件的總數(shù)量，位寬仿佛工人數(shù)量，時(shí)鐘工作頻率相當(dāng)于加工單個(gè)零件的速度，位寬越寬，時(shí)鐘頻率越高則總線帶寬越大,其好處也是顯而易見的。

　　主板上通常會有兩塊比較大的芯片，一般將靠近CPU的那塊稱為北橋，遠(yuǎn)離CPU的稱為南橋。北橋的作用是在CPU與內(nèi)存、顯卡之間建立通信接口，它們與北橋連接的帶寬大小很大程度上決定著內(nèi)存與顯卡效能的大小。南橋是負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)的I/O設(shè)備、PCI設(shè)備和硬盤，對帶寬的要求，相比較北橋而言，是要小一些的。而南北橋之間的連接帶寬一般就稱為南北橋帶寬。隨著計(jì)算機(jī)越來越向多媒體方向發(fā)展，南橋的功能也日益強(qiáng)大，對于南北橋間的連接總線帶寬也是提出了新的要求，在INTEL的9X5系列主板上，南北橋的帶寬將從以前一直為人所詬病的266MB/S發(fā)展到空前的2GB/S，一舉解決了南北橋間的帶寬瓶頸。

　　帶寬是顯示器非常重要的一個(gè)參數(shù)，能夠決定顯示器性能的好壞。所謂帶寬是顯示器視頻放大器通頻帶寬度的簡稱，一個(gè)電路的帶寬實(shí)際上是反映該電路對輸入信號的響應(yīng)速度。帶寬越寬，慣性越小，響應(yīng)速度越快，允許通過的信號頻率越高，信號失真越小，它反映了顯示器的解像能力。該數(shù)字越大越好。

　　帶寬是代表顯示器顯示能力的一個(gè)綜合指標(biāo)，指每秒鐘所掃描的圖素個(gè)數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)每條掃描線上顯示的頻點(diǎn)數(shù)總和，以MHz為單位。帶寬越大表明顯示控制能力越強(qiáng)，顯示效果越佳。

　　帶寬的詳細(xì)計(jì)算公式如下:理論上帶寬 B=r(x) ×r(y) ×V

　　r(x)表示每條水平掃描線上的圖素個(gè)數(shù)

　　r(y)表示每幀畫面的水平掃描線數(shù)

　　V 表示每秒畫面刷新率(即場頻)

　　B 表示帶寬

　　再來說說顯卡，玩游戲的朋友都曉得，當(dāng)玩一些大制作游戲的時(shí)候，畫面有時(shí)候會卡的比較厲害。其實(shí)這就是顯卡帶寬不足的問題，再具體點(diǎn)說，這是顯存帶寬不足。眾所周知，目前當(dāng)?shù)赖腁GP接口是AGP 8X，而AGP總線的頻率是PCI總線的兩倍，也就是266MHz,很容易就可以換算出它的帶寬是2.1GB/S，在目前的環(huán)境下，這樣的帶寬就顯得很微不足道了，因?yàn)檫B最普通的ATI R9000的顯存帶寬都要達(dá)到400MHZ X 128Bit/8=6.4GB/s,其余的高端顯卡更是不用說了。正因?yàn)槿绱耍琁NTEL在最新的9X5芯片組中，采用了PCI-Express總線來替代老態(tài)龍鐘的AGP總線，與傳統(tǒng)PCI以及更早期的計(jì)算機(jī)總線的共享并行架構(gòu)相比，PCI Express最大的特點(diǎn)是在設(shè)備間采用點(diǎn)對點(diǎn)串行連接,如此一來即允許每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個(gè)總線請求帶寬，同時(shí)利用串行的連接特點(diǎn)將能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個(gè)很高的頻率。在傳輸速度上，由于PCI Express支持雙向傳輸模式，因此連接的每個(gè)裝置都可以使用最大帶寬。AGP所遇到的帶寬瓶頸也迎刃而解。

　　得到更多總線帶寬的方法

　　根據(jù)帶寬的計(jì)算公式，一般會采取兩種辦法，一是增加總線速度，比如INTEL的P4 CPU和賽揚(yáng)CPU就是最好的例子，一個(gè)是400總線，一個(gè)是533/800總線，在實(shí)際應(yīng)用的效能就有了很大的區(qū)別(當(dāng)然，二級緩存也是一個(gè)重要的因素)。另外一個(gè)常用的方法是增加總線的寬度，如果當(dāng)它的時(shí)鐘速度一樣時(shí)，總線的寬度增加一倍，那么盡管時(shí)鐘下降沿同未改變之前是相同而此時(shí)每次下降沿所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量卻是以前的兩倍，這一點(diǎn)在相同核心，但是顯存位寬卻不一樣的顯卡上表現(xiàn)特別明顯。

　　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)備的連接也是通過總線進(jìn)行，如目前流行的USB2.0、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總線來實(shí)現(xiàn)!

　　按照工作模式不同，總線可分為兩種類型，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、看起來仿佛一個(gè)長長的數(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。對并行總線來說，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)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)。不過總線的位寬無法無限制增加。

　　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，對于64位、800MHz的前端總線，它的數(shù)據(jù)傳輸率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s;32位、33MHzPCI總線的數(shù)據(jù)傳輸率就是32bit×33MHz÷8=133MB/s，等等，這項(xiàng)法則可以用于所有并行總線上面——看到這里，讀者應(yīng)該明白我們所說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“電路帶寬”的原始概念已經(jīng)風(fēng)馬牛不相及。

　　對串行總線來說，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——管線之間各自獨(dú)立，多條管線組成一條總線系統(tǒng)，從表面看來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。對這類總線，帶寬的計(jì)算公式就等于“總線頻率×管線數(shù)”，這方面的例子有PCIExpress和HyperTransport，前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多個(gè)版本，在第一代PCIExpress技術(shù)當(dāng)中，單通道的單向信號頻率可達(dá)2.5GHz，我們以×16舉例，這里的16就代表16對雙向總線，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2.5GHz×16/10=4GB/s(單向)。除10是因?yàn)槊孔止?jié)采用10位編碼。

　　內(nèi)存中的帶寬

　　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×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RDRAM來說就不是如此，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64bit×400MHz÷8(Byte)=3.2GB/s的帶寬;PC800標(biāo)準(zhǔn)RDRAM的頻率達(dá)到800MHz，單條模組帶寬為16bit×800MHz÷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!帶寬可以說是內(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，內(nèi)存延遲的影響并不亞于帶寬。如果延遲時(shí)間太長的話相當(dāng)不利，此時(shí)即便帶寬再高也無濟(jì)于事。

　　帶寬匹配的問題

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在形形色色的總線，這不可避免帶來總線速度匹配問題，其中最常出問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，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PC133SDRAM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，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。

　　南北橋總線帶寬曾是一個(gè)尖銳的問題，早期的芯片組都是通過PCI總線來連接南北橋，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了133MB/s，最高紀(jì)錄已超過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/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PCIExpress總線來全面取代PCI總線，屆時(shí)PCI帶寬不足的問題將成為歷史。

　　帶寬與電腦的匹配

　　帶寬(2M)：適用于員工在1—10人的小型企業(yè)公司。

　　帶寬(4M)：適用于員工在10—20人的小型企業(yè)公司。

　　帶寬(10M)：適用于員工在20—50人的中型企業(yè)公司。

　　帶寬(50M)：適用于員工在50—100人的中大型企業(yè)公司。

　　帶寬(100M)：適用于員工在50—100人的中大型企業(yè)公司。

數(shù)字領(lǐng)域

　　波特率的俗稱

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，帶寬有兩種含義。從技術(shù)意義上來說，它是波特率的俗稱，波特率是系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)符號的速度;口語中它也用來表示信道容量，信道容量是系統(tǒng)能夠傳輸數(shù)據(jù)位的速度(參見Shannon Limit)。這樣，有32 條獨(dú)立數(shù)據(jù)線的66MHz 數(shù)字總線可以恰當(dāng)?shù)卣f成是66MHz 帶寬、2.1Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力，但是對于總線“帶寬 2.1Gbit/s”這樣一種說法這也不應(yīng)感到奇怪。對于模擬的調(diào)制解調(diào)器來說也有同樣的問題，對它來說，每個(gè)符號攜帶多位的信息所以通過帶寬12kHz 的電話線 能夠傳輸56kbit/s 的信息。

　　在離散時(shí)間系統(tǒng)和數(shù)字信號處理中，根據(jù)Nyquist-Shannon 采樣定理帶寬與采樣率有關(guān)。

　　帶寬也用于日常生活中用表示某些有限的或者花費(fèi)金錢的東西。這樣，通信消耗帶寬，不合理地使用其它人的帶寬可以稱為 bandwidth theft。

　　Web Hosting

　　一些虛擬主機(jī)服務(wù)商會給頻寬以不同的含義。再這里，頻寬幾乎變成了一個(gè)流量概念。意思是指定時(shí)間內(nèi)的下行數(shù)據(jù)總量。意味著如果一個(gè)Web Hosting公司給你2GB每月的頻寬，那么意味著你的用戶每月只能最多下載2GB的內(nèi)容。在網(wǎng)站托管，帶寬是大量的信息下載，從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器超過訂明的一段時(shí)間。在本質(zhì)上講，它是率[數(shù)據(jù)/時(shí)間] ，但時(shí)間，在這種情況下，是不是秒，而是一個(gè)月或一個(gè)星期。因此，這個(gè)比率是不喜歡的56 K或?qū)拵У?，這亦是帶寬，但衡量每秒。網(wǎng)絡(luò)托管公司經(jīng)常引用的每月帶寬限制的網(wǎng)站，例如2gb/month 。如果游客到網(wǎng)站下載一個(gè)總大于2 GB的在一個(gè)月，帶寬的限制將被超出。

　　天線的帶寬

　　每個(gè)天線都有其中心工作頻率，在偏離中心工作頻率時(shí)，天線的某些電性能將會下降，電性能下降到容許值的頻率范圍，就是天線的帶寬。

通訊領(lǐng)域

　　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)信號可使用的最高頻率與最低頻率之差、或者說是“頻帶的寬度”，也就是所謂的“Bandwidth”、“信道帶寬”——這也是最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)定義。

　　在100M以太網(wǎng)之類的銅介質(zhì)布線系統(tǒng)中，雙絞線的信道帶寬通常用MHz為單位，它指的是信噪比恒定的情況下允許的信道頻率范圍，不過，網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬與它的數(shù)據(jù)傳輸能力(單位Byte/s)存在一個(gè)穩(wěn)定的基本關(guān)系。我們也可以用高速公路來作比喻：在高速路上，它所能承受的最大交通流量就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)運(yùn)輸能力，而這條高速路允許形成的寬度就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的帶寬。顯然，帶寬越高、數(shù)據(jù)傳輸可利用的資源就越多，因而能達(dá)到越高的速度;除此之外，我們還可以通過改善信號質(zhì)量和消除瓶頸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度。

　　網(wǎng)絡(luò)帶寬與數(shù)據(jù)傳輸能力的正比關(guān)系最早是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師ClaudeShannon所發(fā)現(xiàn)，因此這一規(guī)律也被稱為Shannon定律。而通俗起見普遍也將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力與“網(wǎng)絡(luò)帶寬”完全等同起來，這樣“網(wǎng)絡(luò)帶寬”表面上看與“總線帶寬”形成概念上的統(tǒng)一，但這兩者本質(zhì)上就不是一個(gè)意思、相差甚遠(yuǎn)。