總線帶寬

以上我們所說的"帶寬"指的都是速度概念，但對(duì)CRT顯示器來說，它所指的帶寬則是頻率概念、屬于電路范疇，更符合"帶寬"本來的含義。

要了解顯示器帶寬的真正含義，必須簡(jiǎn)單介紹一下CRT顯示器的工作原理--由燈絲、陰極、控制柵組成的電子槍，向外發(fā)射電子流，這些電子流被擁有高電壓的加速器加速后獲得很高的速度，接著這些高速電子流經(jīng)過透鏡聚焦成極細(xì)的電子束打在屏幕的熒光粉層上，而被電子束擊中的地方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn);光點(diǎn)的位置由偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制，而通過控制電子束的強(qiáng)弱和通斷狀態(tài)就可以在屏幕上形成不同顏色、不同灰度的光點(diǎn)--在某一個(gè)特定的時(shí)刻，整個(gè)屏幕上其實(shí)只有一個(gè)點(diǎn)可以被電子束擊中并發(fā)光。為了實(shí)現(xiàn)滿屏幕顯示，這些電子束必須從左到右、從上到下一個(gè)一個(gè)象素點(diǎn)進(jìn)行掃描，若要完成800×600分辨率的畫面顯示，電子槍必須完成800×600=480000個(gè)點(diǎn)的順序掃描。由于熒光粉受到電子束擊打后發(fā)光的時(shí)間很短，電子束在掃描完一個(gè)屏幕后必須立刻再?gòu)念^開始--這個(gè)過程其實(shí)十分短暫，在一秒鐘時(shí)間電子束往往都能完成超過85個(gè)完整畫面的掃描、屏幕畫面更新85次，人眼無(wú)法感知到如此小的時(shí)間差異會(huì)"誤以為"屏幕處于始終發(fā)亮的狀態(tài)。而每秒鐘屏幕畫面刷新的次數(shù)就叫場(chǎng)頻，或稱為屏幕的垂直掃描頻率、以Hz(赫茲)為單位，也就是我們俗稱的"刷新率"。以800×600分辨率、85Hz刷新率計(jì)算，電子槍在一秒鐘至少要掃描800×600×85=40800000個(gè)點(diǎn)的顯示;如果將分辨率提高到1024×768，將刷新率提高到100Hz，電子槍要掃描的點(diǎn)數(shù)將大幅提高。

按照業(yè)界公認(rèn)的計(jì)算方法，顯示器帶寬指的就是顯示器的電子槍在一秒鐘內(nèi)可掃描的最高點(diǎn)數(shù)總和，它等于"水平分辨率×垂直分辨率×場(chǎng)頻(畫面刷新次數(shù))"，單位為MHz(兆赫);由于顯像管電子束的掃描過程是非線性的，為避免信號(hào)在掃描邊緣出現(xiàn)衰減影響效果、保證圖像的清晰度，總是將邊緣掃描部分忽略掉，但在電路中它們依然是存在的。因此，我們?cè)谟?jì)算顯示器帶寬的時(shí)候還應(yīng)該除一個(gè)取值為0.6~0.8 的"有效掃描系數(shù)"，故得出帶寬計(jì)算公式如下:"帶寬=水平像素(行數(shù))×垂直像素(列數(shù))×場(chǎng)頻(刷新頻率)÷掃描系數(shù)"。掃描系數(shù)一般取為0.744。例如，要獲得分辨率1024×768、刷新率85Hz的畫面，所需要的帶寬應(yīng)該等于:1024×768×85÷0.744，結(jié)果大約是90MHz。

不過，這個(gè)定義并不符合帶寬的原意，稱之為"像素掃描頻率"似乎更為貼切。帶寬的 最初概念確實(shí)也是電路中的問題--簡(jiǎn)單點(diǎn)說就是:在"帶寬"這個(gè)頻率寬度之內(nèi)，放大器可以處于良好的工作狀態(tài)，如果超出帶寬范圍，信號(hào)會(huì)很快出現(xiàn)衰減失真現(xiàn)象。從本質(zhì)上說，顯示器的帶寬描述的也是控制電路的頻率范圍，帶寬高低直接決定顯示器所能達(dá)到的性能等級(jí)。由于前文描述的"像素掃描頻率"與控制電路的"帶寬"基本是成正比關(guān)系，顯示器廠商就干脆把它當(dāng)作顯示器的"帶寬"--這種做法當(dāng)然沒有什么錯(cuò)，只是容易讓人產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。當(dāng)然，從用戶的角度考慮沒必要追究這么多，畢竟以"像素掃描頻率"作為"帶寬"是很合乎人們習(xí)慣的，大家可方便使用公式計(jì)算出達(dá)到某種顯示狀態(tài)需要的最低帶寬數(shù)值。

但是反過來說，"帶寬數(shù)值完全決定著屏幕的顯示狀態(tài)"是否也成立呢?答案是不完全成立，因?yàn)槠聊坏娘@示狀態(tài)除了與帶寬有關(guān)系之外，還與一個(gè)重要的概念相關(guān)--它就是"行頻"。行頻又稱為"水平掃描頻率"，它指的是電子槍每秒在熒光屏上掃描過的水平線數(shù)量，計(jì)算公式為:"行頻=垂直分辨率×場(chǎng)頻(畫面刷新率)×1.07"，其中1.07為校正參數(shù)，因?yàn)轱@示屏上下方都存在我們看不到的區(qū)域?？梢?，行頻是一個(gè)綜合分辨率和刷新率的參數(shù)，行頻越大，顯示器就可以提供越高的分辨率或者刷新率。例如，1臺(tái)17寸顯示器要在1600×1200分辨率下達(dá)到75Hz的刷新率，那么帶寬值至少需要221MHz，行頻則需要96KHz，兩項(xiàng)條件缺一不可;要達(dá)到這么高的帶寬相對(duì)容易，而要達(dá)到如此高的行頻就相當(dāng)困難，后者成為主要的制約因素，而出于商業(yè)因素考慮，顯示器廠商會(huì)突出帶寬而忽略行頻，這種宣傳其實(shí)是一種誤導(dǎo)。

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(hào)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(hào)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Claude Shannon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)。

如果從電子電路角度出發(fā)，帶寬(Bandwidth)本意指的是電子電路中存在一個(gè)固有通頻帶，這個(gè)概念或許比較抽象，我們有必要作進(jìn)一步解釋。大家都知道，各類復(fù)雜的電子電路無(wú)一例外都存在電感、電容或相當(dāng)功能的儲(chǔ)能元件，即使沒有采用現(xiàn)成的電感線圈或電容，導(dǎo)線自身就是一個(gè)電感，而導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與地之間便可以組成電容--這就是通常所說的雜散電容或分布電容;不管是哪種類型的電容、電感，都會(huì)對(duì)信號(hào)起著阻滯作用從而消耗信號(hào)能量，嚴(yán)重的話會(huì)影響信號(hào)品質(zhì)。這種效應(yīng)與交流電信號(hào)的頻率成正比關(guān)系，當(dāng)頻率高到一定程度、令信號(hào)難以保持穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)電子電路自然就無(wú)法正常工作。為此，電子學(xué)上就提出了"帶寬"的概念，它指的是電路可以保持穩(wěn)定工作的頻率范圍。而屬于該體系的有顯示器帶寬、通訊/網(wǎng)絡(luò)中的帶寬等等。

而第二種帶寬的概念大家也許會(huì)更熟悉，它所指的其實(shí)是數(shù)據(jù)傳輸率，譬如內(nèi)存帶寬、總線帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬等等，都是以"字節(jié)/秒"為單位。我們不清楚從什么時(shí)候起這些數(shù)據(jù)傳輸率的概念被稱為"帶寬"，但因業(yè)界與公眾都接受了這種說法，代表數(shù)據(jù)傳輸率的帶寬概念非常流行，盡管它與電子電路中"帶寬"的本意相差很遠(yuǎn)。

對(duì)于電子電路中的帶寬，決定因素在于電路設(shè)計(jì)。它主要是由高頻放大部分元件的特性決定，而高頻電路的設(shè)計(jì)是比較困難的部分，成本也比普通電路要高很多。這部分內(nèi)容涉及到電路設(shè)計(jì)的知識(shí)，對(duì)此我們就不做深入的分析。而對(duì)于總線、內(nèi)存中的帶寬，決定其數(shù)值的主要因素在于工作頻率和位寬，在這兩個(gè)領(lǐng)域，帶寬等于工作頻率與位寬的乘積，因此帶寬和工作頻率、位寬兩個(gè)指標(biāo)成正比。不過工作頻率或位寬并不能無(wú)限制提高，它們受到很多因素的制約，我們會(huì)在接下來的總線、內(nèi)存部分對(duì)其作專門論述。

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(duì)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)存帶寬相等，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PC133 SDRAM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(zhǎng)至4.26GB/s，雖然配套芯片組可支持DDR333內(nèi)存，可也僅能滿足2/3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(shì)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PCI Express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。

對(duì)總線和內(nèi)存來說，帶寬高低對(duì)系統(tǒng)性能有著舉足輕重的影響--倘若總線、內(nèi)存的帶寬不夠高的話，處理器的工作頻率再高也無(wú)濟(jì)于事，因此帶寬可謂是與頻率并立的兩大性能決定要素。而對(duì)CRT顯示器而言，帶寬越高，往往可以獲得更高的分辨率、顯示精度越高，不過現(xiàn)在CRT顯示器的帶寬都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)分辨率下85Hz刷新率或以上的顯示需要(相信沒有太多的朋友喜歡用非常高的分辨率去運(yùn)行程序或者游戲)，這樣帶寬高低就不是一個(gè)太敏感的參數(shù)了，當(dāng)然，如果你追求高顯示品質(zhì)那是另一回事了。

2004年2月，HyperTransport技術(shù)聯(lián)盟(Hyper Transport Technology Consortium)又正式發(fā)布了HyperTransport 2.0規(guī)格，由于采用了Dual-data技術(shù)，使頻率成功提升到了1.0GHz、1.2GHz和1.4GHz，雙向16bit模式的總線帶寬提升到了8.0GB/sec、9.6GB/sec和11.2GB/sec。Intel 915G架構(gòu)前端總線在6.4GB/sec。

目前AMD的S939 Athlon64處理器都已經(jīng)支持1Ghz Hyper-Transport總線，K8芯片組也對(duì)雙工16Bit的1GHz Hyper-Transport提供了支持，令處理器與北橋芯片的傳輸率達(dá)到8GB/s

PCI Express 3.0標(biāo)準(zhǔn)的基本規(guī)范已經(jīng)完成，PCI Special Interest Group宣布了最終版PCIe 3.0規(guī)范文本，新的規(guī)范依然向后兼容PCIe 2.0規(guī)格。新規(guī)范可以在所有計(jì)算機(jī)和外圍中應(yīng)用，例如服務(wù)器，工作站，游戲臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦?，F(xiàn)在的PCI-E 2.0只能提供5GT/s的最大數(shù)據(jù)率，而PCI-E 3.0的數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到8GT/s，大大提高了總線帶寬，Intel的Sandy Bridge處理器家族的服務(wù)器版本也將原生支持PCI-E 3.0。