帶寬:不可或缺信息設備-中文百科頻道

基本簡介

帶寬（band width）又叫頻寬，是指在固定的時間可傳輸的資料數量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數據的能力。在數字設備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數。在模拟設備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲(Hz)來表示。

電腦領域

帶寬在計算機系統中的意義

在計算機系統中，用帶寬作為标識總線和内存性能的指标之一。

總線帶寬指的是總線在單位時間内可以傳輸的數據總量，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，它的數據傳輸率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s

内存帶寬指的是内存總線所能提供的數據傳輸能力。例如：DDR400内存的數據傳輸頻率為400MHz，那麼單條模組就擁有64bit×400MHz÷8(Byte)=3.2GB/s的帶寬。

帶寬的應用

一、表示頻帶寬度

信号的帶寬是指該信号所包含的各種不同頻率成分所占據的頻率範圍。頻寬對基本輸出入系統(BIOS)設備尤其重要，如快速磁盤驅動器會受低頻寬的總線所阻礙。

二、表示通信線路所能傳送數據的能力

在單位時間内從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”。對于帶寬的概念，比較形象的一個比喻是高速公路。單位時間内能夠在線路上傳送的數據量，常用的單位是bps(bit per second)。計算機網絡的帶寬是指網絡可通過的最高數據率，即每秒多少比特。

嚴格來說，數字網絡的帶寬應使用波特率來表示（baud），表示每秒的脈沖數。而比特是信息單位，由于數字設備使用二進制，則每位電平所承載的信息量是以2為底2的對數，如果是四進制，則是以2為底的4的對數，每位電平所承載的信息量為2。因此，在數值上，波特與比特是相同的。由于人們對這兩個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帶寬事實的标準叫法了。

1000bit/s=1Kbit/s

1000Kbit/s=1Mbit/s

1000Mbit/s=1Gbit/s

描述帶寬時常常把“比特/秒”省略。例如，帶寬是1M，實際上是1Mbps，這裡的Mbps是指位/s。

在網絡中有兩種不同的速率：

1、信号（即電磁波）在傳輸媒體上的傳播速率（米/秒，或公裡/秒）。

2、計算機向網絡發送比特的速率（比特/秒）。

這兩種速率的意義和單位完全不同。

在理解帶寬這個概念之前，我們首先來看一個公式：帶寬=時鐘頻率x總線位數/8，從公式中我們可以看到，帶寬和時鐘頻率、總線位數是有着非常密切的關系的。其實在一個計算機系統中，不僅顯示器、内存有帶寬的概念，在一塊闆卡上，帶寬的概念就更多了，完全可以說是帶寬無處不在。

那到底什麼是帶寬呢？帶寬的意義又是什麼？為了更形象地理解帶寬、位寬、時鐘頻率的關系，我們舉個比較形象的例子，工人加工零件，如果一個人幹，在大家單個加工速度相同的情況下，肯定不如兩個人幹的多，帶寬就像是工人能夠加工零件的總數量，位寬仿佛工人數量，時鐘工作頻率相當于加工單個零件的速度，位寬越寬，時鐘頻率越高則總線帶寬越大,其好處也是顯而易見的。

主闆上通常會有兩塊比較大的芯片，一般将靠近CPU的那塊稱為北橋，遠離CPU的稱為南橋。北橋的作用是在CPU與内存、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着内存與顯卡效能的大小。南橋是負責計算機的I/O設備、PCI設備和硬盤，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。随着計算機越來越向多媒體方向發展，南橋的功能也日益強大，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系列主闆上，南北橋的帶寬将從以前一直為人所诟病的266MB/S發展到空前的2GB/S，一舉解決了南北橋間的帶寬瓶頸。

顯卡中的帶寬

再來說說顯卡，玩遊戲的朋友都曉得，當玩一些大制作遊戲的時候，畫面有時候會卡的比較厲害。其實這就是顯卡帶寬不足的問題，再具體點說，這是顯存帶寬不足。衆所周知，當道的AGP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2.1Gbps，這樣的帶寬就顯得很微不足道了，因為連最普通的ATI R9000的顯存帶寬都要達到400MHz*128Bit/8=6.4GB/s,其餘的高端顯卡更是不用說了。正因為如此，INTEL在最新的9X5芯片組中，采用了PCI-Express總線來替代老态龍鐘的AGP總線，與傳統PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構相比，PCI Express最大的特點是在設備間采用點對點串行連接,如此一來即允許每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，同時利用串行的連接特點将能輕松将數據傳輸速度提到一個很高的頻率。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。

總線中的帶寬

在計算機系統中，總線的作用就好比是人體中的神經系統，它承擔的是所有數據傳輸的職責，而各個子系統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，各類擴展設備通過PCI、PCI-X總線與系統連接；主機與外部設備的連接也是通過總線進行，流行的USB2.0、IEEE1394總線等等，一句話，在一部計算機系統内，所有數據交換的需求都必須通過總線來實現！

按照工作模式不同，總線可分為兩種類型，一種是并行總線，它在同一時刻可以傳輸多位數據，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，它在同一時刻隻能傳輸一個數據，好比隻容許一輛車行走的狹窄道路，數據必須一個接一個傳輸、看起來仿佛一個長長的數據串，故稱為“串行”。

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，隻是它改變了傳統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，但它存在并行傳輸信号間的幹擾現象，頻率越高、位寬越大，幹擾就越嚴重，因此要大幅提高現有并行總線的帶寬是非常困難的；而串行總線不存在這個問題，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勢獲得高帶寬。而為了彌補一次隻能傳送一位數據的不足，串行總線常常采用多條管線（或通道）的做法實現更高的速度——管線之間各自獨立，多條管線組成一條總線系統，從表面看來它和并行總線很類似，但在内部它是以串行原理運作的。對這類總線，帶寬的計算公式就等于“總線頻率×管線數”，這方面的例子有PCIExpress和HyperTransport，前者有×1、×2、×4、×8、×16和×32多個版本，在第一代PCIExpress技術當中，單通道的單向信号頻率可達2.5GHz，我們以×16舉例，這裡的16就代表16對雙向總線，一共64條線路，每4條線路組成一個通道，二條接收，二條發送。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是因為每字節采用10位編碼。

并行總線和串行總線的描述參數存在一定差别。對并行總線來說，描述的性能參數有以下三個：總線寬度、時鐘頻率、數據傳輸頻率。其中，總線寬度就是該總線可同時傳輸數據的位數，好比是車道容許并排行走的車輛的數量；例如，16位總線在同一時刻傳輸的數據為16位，也就是2個字節；而32位總線可同時傳輸4個字節，64位總線可以同時傳輸8個字節......顯然，總線的寬度越大，它在同一時刻就能夠傳輸更多的數據。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間内可以傳輸的數據總量，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，它的數據傳輸率就等于64bit×800MHz÷8(Byte)=6.4GB/s；32位、33MHzPCI總線的數據傳輸率就是32bit×33MHz÷8=133MB/s，等等，這項法則可以用于所有并行總線上面——看到這裡，讀者應該明白我們所說的總線帶寬指的就是它的數據傳輸率，其實“總線帶寬”的概念同“電路帶寬”的原始概念已經風馬牛不相及。

内存中的帶寬

除總線之外，内存也存在類似的帶寬概念。其實所謂的内存帶寬，指的也就是内存總線所能提供的數據傳輸能力，但它決定于内存芯片和内存模組而非純粹的總線設計，加上地位重要，往往作為單獨的對象讨論。

SDRAM、DDR和DDRⅡ的總線位寬為64位，RDRAM的位寬為16位。而這兩者在結構上有很大區别：SDRAM、DDR和DDRⅡ的64位總線必須由多枚芯片共同實現，計算方法如下：内存模組位寬=内存芯片位寬×單面芯片數量（假定為單面單物理BANK）；如果内存芯片的位寬為8位，那麼模組中必須、也隻能有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，為實現更高的模組容量，采用高位寬的芯片是一個好辦法。而對RDRAM來說就不是如此，它的内存總線為串聯架構，總線位寬就等于内存芯片的位寬。

和并行總線一樣，内存的帶寬等于位寬與數據傳輸頻率的乘積，例如，DDR400内存的數據傳輸頻率為400MHz，那麼單條模組就擁有64bit×400MHz÷8(Byte)=3.2GB/s的帶寬；PC800标準RDRAM的頻率達到800MHz，單條模組帶寬為16bit×800MHz÷8=1.6GB/s。為了實現更高的帶寬，在内存控制器中使用雙通道技術是一個理想的辦法，所謂雙通道就是讓兩組内存并行運作，内存的總位寬提高一倍，帶寬也随之提高了一倍！帶寬可以說是内存性能最主要的标志，業界也以内存帶寬作為主要的分類标準，但它并非決定性能的唯一要素，在實際應用，内存延遲的影響并不亞于帶寬。如果延遲時間太長的話相當不利，此時即便帶寬再高也無濟于事。

帶寬匹配的問題

計算機系統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内存、南北橋總線和PCI總線。

前端總線與内存匹配與否對整套系統影響最大，最理想的情況是前端總線帶寬與内存帶寬相等，而且内存延遲要盡可能低。在Pentium4剛推出的時候，Intel采用RDRAM内存以達到同前端總線匹配，但RDRAM成本昂貴，嚴重影響推廣工作，Intel曾推出搭配PC133SDRAM的845芯片組，但SDRAM僅能提供1.06GB/s的帶寬，僅相當于400MHz前端總線帶寬的1/3，嚴重不匹配導緻系統性能大幅度下降；後來，Intel推出支持DDR266的845D才勉強好轉，但仍未實現與前端總線匹配；接着，Intel将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内存，可也僅能滿足1/2而已；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——這個時候才實現匹配的理想狀态，當然，這個時候繼續提高内存帶寬意義就不是特别大，因為它超出了前端總線的接收能力。

南北橋總線帶寬曾是一個尖銳的問題，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隻有133MB/s，若南橋連接兩個ATA-100硬盤、100M網絡、IEEE1394接口......區區133MB/s帶寬勢必形成嚴重的瓶頸，為此，各芯片組廠商都發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，它們的帶寬都大大超過了133MB/s，最高紀錄已超過1GB/s，瓶頸效應已不複存在。

PCI總線帶寬不足還是比較大的矛盾，PC上使用的PCI總線均為32位、33MHz類型，帶寬133MB/s，而這區區133MB/s必須滿足網絡、硬盤控制卡（如果有的話）之類的擴展需要，一旦使用千兆網絡，瓶頸馬上出現，業界打算自2004年開始以PCIExpress總線來全面取代PCI總線，屆時PCI帶寬不足的問題将成為曆史。

數字信号領域

波特率的俗稱

在數字通信系統中，帶寬有兩種含義。從技術意義上來說，它是波特率的俗稱，波特率是系統傳輸數據符号的速度；口語中它也用來表示信道容量，信道容量是系統能夠傳輸數據位的速度（參見Shannon Limit）。這樣，有32條獨立數據線的66MHz數字總線可以恰當地說成是66MHz帶寬、2.1Gbit/s的數據傳輸能力，但是對于總線“帶寬2.1Gbit/s”這樣一種說法這也不應感到奇怪。對于模拟的調制解調器來說也有同樣的問題，對它來說，每個符号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。

在離散時間系統和數字信号處理中，根據Nyquist-Shannon采樣定理帶寬與采樣率有關。

帶寬也用于日常生活中用表示某些有限的或者花費金錢的東西。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

一些虛拟主機服務商會給頻寬以不同的含義。再這裡，頻寬幾乎變成了一個流量概念。意思是指定時間内的下行數據總量。意味著如果一個Web Hosting公司給你2GB每月的頻寬，那麼意味着你的用戶每月隻能最多下載2GB的内容。在網站托管，帶寬是大量的信息下載，從網絡服務器超過訂明的一段時間。在本質上講，它是率[數據/時間]，但時間，在這種情況下，是不是秒，而是一個月或一個星期。因此，這個比率是不喜歡的56 K或寬帶等，這亦是帶寬，但衡量每秒。網絡托管公司經常引用的每月帶寬限制的網站，例如2gb/month。如果遊客到網站下載一個總大于2GB的在一個月，帶寬的限制将被超出。

天線的帶寬

每個天線都有其中心工作頻率，在偏離中心工作頻率時，天線的某些電性能将會下降，電性能下降到容許值的頻率範圍，就是天線的帶寬。

模拟系統領域

在模拟信号系統中，帶寬用來标識傳輸信号所占有的頻率寬度，這個寬度由傳輸信号的最高頻率和最低頻率決定，兩者之差就是帶寬值，因此又被稱為信号帶寬或者載頻帶寬，單位為Hz。

帶寬其實就是信号所占用的頻譜的度量，可以看做是一種與空間相關的量。與之相比，信号的傳輸速率就是一種與空間和時間都相關的物理量，定義為單位時間内在信道上傳輸的數據量。

為了合理使用頻譜資源，國際電信聯盟（ITU）為每種通信系統都規定了頻率範圍，這種頻率範圍又稱為頻段，而頻段的頻譜寬度又被稱之為工作帶寬。例如GSM的工作帶寬為25 MHz，WCDMA和CDMA均為30 MHz。

人力領域

所謂“帶寬”就是指各等級薪資的最大值與最小值之差，又将其成為薪值的分布區間。一般而言，由于職位高低不同，職位或職層所涉及技能與職責的複雜性程度也會有所不同，因此，各職等級的薪資帶寬也就應該有所不同（薪資帶寬應當能反應一個職位或職層的任職者由一個初入者到能力與業績十分突出者所需要的難度大小）。如果職位或職層所涉及的技能與職責能在較短時間内得以掌握，則此等級薪資的帶寬較窄；而如果職位或職層所涉及的技能和職責需要學習的時間較長，繼續提升的機會也較小，則其相應的帶寬較大。根據這個理論，變革者在設計職等帶寬時應當堅持的原則是：職等越高，其帶寬就應越大，因為職等越高，任職者勝任的速度就越慢。

通訊領域

在通訊和網絡領域，帶寬的含義又與上述定義存在差異，它指的是網絡信号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”——這也是最嚴謹的技術定義。

在100M以太網之類的銅介質布線系統中，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範圍，不過，網絡的信道帶寬與它的數據傳輸能力（單位Byte/s）存在一個穩定的基本關系。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于網絡的數據運輸能力，而這條高速路允許形成的寬度就相當于網絡的帶寬。顯然，帶寬越高、數據傳輸可利用的資源就越多，因而能達到越高的速度；除此之外，我們還可以通過改善信号質量和消除瓶頸效應實現更高的傳輸速度。

網絡帶寬與數據傳輸能力的正比關系最早是由貝爾實驗室的工程師ClaudeShannon所發現，因此這一規律也被稱為Shannon定律。而通俗起見普遍也将網絡的數據傳輸能力與“網絡帶寬”完全等同起來，這樣“網絡帶寬”表面上看與“總線帶寬”形成概念上的統一，但這兩者本質上就不是一個意思、相差甚遠。