在电子行业中带宽什么意思
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发布时间：2022-05-01 06:08
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时间：2022-06-25 09:30
作者：PCDIY
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*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！
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、 带宽匹配的问题
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
存带宽相等，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PC133 SDRAM 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PCI
Express 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。
五、 显示器中的带宽
以上我们所说的“带宽”指的都是速度概念，但对CRT 显示器来说，它所指的带宽
则是频率概念、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，必须简单介绍一下CRT 显示器的工作原理——由灯
丝、阴极、控制栅组成的电子*，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可以被电子束击中并发
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*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*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*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*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。
不过，这个定义并不符合带宽的原意，称之为“像素扫描频率”似乎更为贴切。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。由于前文描述的“像素扫描频率”与控制电路的“带宽”基
本是成正比关系，显示器厂商就干脆把它当作显示器的“带宽”——这种做法当然没有
什么错，只是容易让人产生认识上的误区。当然，从用户的角度考虑没必要追究这么多，
毕竟以“像素扫描频率”作为“带宽”是很合乎人们习惯的，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。
但是反过来说，“带宽数值完全决定着屏幕的显示状态”是否也成立呢？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*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。
六、 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Claude
Shannon 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。
七、 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——倘若总线、内存
的带宽不够高的话，处理器的工作频率再高也无济于事，因此带宽可谓是与频率并立的
两大性能决定要素。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，不过现在CRT 显示器的带宽都能够满足标准分辨率下85Hz 刷新率或以上
的显示需要（相信没有太多的朋友喜欢用非常高的分辨率去运行程序或者游戏），这样
带宽高低就不是一个太敏感的参数了，当然，如果你追求高显示品质那是另一回事了。
文章摘自：太平洋电脑网
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时间：2022-06-25 09:31
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时间：2022-06-25 09:31
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