总线带宽（转整理)

关于带宽概念以前不是太熟悉，特百度，转载以下：

两种概念 

 若是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，咱们有必要做进一步解释。你们都知道，各种复杂的电子电路无一例外都存在电感、电容或至关功能的 储能元件，即便没有采用现成的 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、导线与地之间即可以组成电容——这就是一般所说的 杂散电容或 分布电容； 无论是哪一种类型的电容、电感，都会对信号起着阻滞做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，当频率高到必定 程度、令信号难以保持稳定时，整个电子电路天然就没法正常工做。为此，电子学上就提出了“带宽”的概念，它指的是电路能够保持稳定工做的频率范围。而属于 该体系的有 显示器带宽、通信/网络中的带宽等等。

而第二种带宽的概念你们也许会更熟悉，它所指的实际上是 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。咱们不清楚从何时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，表明数据传输率的带宽概念很是流行，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不少。这部份内容涉及到电路设计的知识，对此咱们就不作深刻的分析。而对于总线、内存中的带宽，决定其数值的主要因素在于 工做频率和 位宽，在这两个领域，带宽等于工做频率与位宽的乘积，所以带宽和工做频率、位宽两个指标成正比。不过工做频率或位宽并不能无限制提升，它们受到不少因素的制约，咱们会在接下来的总线、内存部分对其做专门论述。

总线带宽 

在计算机系统中，总线的做用就比如是人体中的神经系统，它承担的是全部数据传输的职责，而各个子系统间都必须籍由总线才能通信，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，各种扩展设备经过PCI、 PCI-X总线与系统链接； 主机与 外部设备的链接也是经过总线进行，如流行的USB 2.0、 IEEE1394总线等等，一句话，在一部计算机系统内，全部数据交换的需求都必须经过总线来实现！

按照工做模式不一样，总线可分为两种类型，一种是 并行总线，它在同一时刻能够传输多位数据，比如是一条容许多辆车并排开的宽敞道路，并且它还有双向单向之分；另外一种为串行总线，它在同一时刻只能传输一个数据，比如只允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必定差异。对并行总线来讲，描述的性能参数有如下三个：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，比如是车道允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位总线能够同时传输8个字节......显然，总线的宽度越大，它在同一时刻就可以传输更多的数据。 不过总线的位宽没法无限制增长。

总线的带宽指的是这条总线在单位时间内能够传输的数据总量，它等于总线位宽与工做频率的乘积。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=132MB/s，等等，这项法则能够用于全部 并行总线上面——看到这里，读者应该明白咱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。

对串行总线来讲，带宽和工做频率的概念与并行总线彻底相同，只是它改变了 传统意义上的总线位宽的概念。在频率相同的状况下，并行总线比串行总线快得多，那么，为何如今各种并行总线反而要被串行总线接替呢？缘由在于并行总线虽 然一次能够传输多位数据，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，所以要大幅提升现有并行总线的带宽是很是困难的；而串行 总线不存在这个问题，总线频率能够大幅向上提高，这样串行总线就能够凭借高频率的优点得到高带宽。而为了弥补一次只能传送一位数据的不足，串行总线经常采 用多条管线（或通道）的作法实现更高的速度——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相似，但在内部它是以串行原理运做的。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×一、×二、×四、×八、×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，咱们以×16举例，这里的16就表明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。这样咱们能够换算出其总线的带宽为2.5GHz×16/10=4GB/s（单向）。除10是由于每字节采用10位编码

内存带宽 

除总线以外，内存也存在相似的带宽概念。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，每每做为单独的对象讨论。

SDRAM、DDR和DDRⅡ的总线 位宽为 64位，RDRAM的位宽为16位。而这二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，计算方法以下：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）；若是内存芯片的位宽为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 不容许的；若是芯片的位宽为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来讲就不是如此，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。

和并行总线同样，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做，内存的总位宽提升一倍，带宽也随之提升了一倍！

带宽能够说是内存性能最主要的标志，业界也以 内存带宽做为主要的分类标准，但它并不是决定性能的惟一要素，在实际应用中， 内存延迟的影响并不亚于带宽。若是延迟时间太长的话至关不利，此时即使带宽再高也无济于事。

 

带宽匹配 

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，最理想的状况是前端总线带宽与 内存带宽相等，并且 内存延迟要尽量低。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，严重影响推广工做，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，仅至关于400MHz前端总线带宽的1/3，严重不匹配致使系统性能大幅度降低；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前端总线提高到533MHz、带宽增加至4.26GB/s，虽然配套芯片组可支持 DDR333内存，可也仅能知足2/3而已；如今，P4的前端总线提高到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，固然，这个时候继续提升 内存带宽意义就不是特别大，由于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，早期的芯片组都是经过 PCI总线来链接南北桥，而它所能提供的带宽仅仅只有133MB/s，若南桥链接两个ATA-100硬盘、100M网络、IEEE1394接口......区区133MB/s带宽势必造成严重的瓶颈，为此，各芯片组厂商都发展出不一样的南北桥总线方案，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 宽不足仍是比较大的矛盾，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必须知足网络、硬盘控制卡 （若是有的话）之类的扩展须要，一旦使用千兆网络，瓶颈立刻出现，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。

 

通信带宽 

在通信和网络领域，带宽的含义又与上述定义存在差别，它指的是网络信号可以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， 双绞线的信道带宽一般用MHz为单位，它指的是 信噪比恒 定的状况下容许的信道频率范围，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。咱们也能够用高速公路来做比喻：在 高速路上，它所能承受的最大交通流量就至关于网络的数据运输能力，而这条高速路容许造成的宽度就至关于网络的带宽。显然，带宽越高、数据传输可利用的资源 就越多，于是能达到越高的速度；除此以外，咱们还能够经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先是由 贝尔实验室的工程师Claude Shannon所发现，所以这一规律也被称为Shannon定律。而通俗起见广泛也将网络的数据传输能力与“网络带宽”彻底等同起来，这样“网络带宽”表面上看与“总线带宽”造成概念上的统一，但这二者本质上就不是一个意思、相差甚远。

 

 

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如何学习总线技术

以形象生动的比喻来描绘了总线技术的基本思想，指出了总线的基本分类和总线传输的基本原理，以及在学习过程当中应当掌握的最基本的知识，对初学者有起到抛砖引入的做用。

0引言

　　若是一座只能容一我的来往的独木桥，两端的人都想要过桥，为了避免拥挤、阻塞，那我 们就得采起有效的办法。好比规定某段时间哪端的人过桥，另外一端的人就等着该他过桥的时间段的到来，同时也还能够规定人多时要按先来后到或年龄长幼的次序过 桥。在这不经意间，咱们就体会到了现代电子信息数据经过总线按时分系统传输的最原始的思想。

　　现代网络信息的发展，特别是对于成本和空间而言，总线传输替代点对点传输是目前发展的热点，它的出现将给信息传输上提供了最大的方便和最有效的技术解决方案。假如一个微处理器与它的部件和外围设备都分别用点对点的线路来链接通信，则全部连线将会错综复杂，甚至难以实现。

　　目前与咱们生活习习相关的一系列活动都无不牵涉到总线技术的应用，如咱们上英特网、给亲戚朋友打电话、用U盘来存储信息等。虽然流行的总线所采起的形式不一样，但他们主要的原则性思想无非就是时分系统、频分系统、相分系统和码分系统等。常言道“兵来将挡，水来土淹”，面对种类繁多的总线，咱们只有从基本原理出发，从骨子里去了解它的实质，而不要被它形式多样的外表所迷惑，才能熟练掌握和灵活运用眼下正在或将要用到的各类总线技术。

1总线的定义及分类

1.1定义

总线，英文叫做“BUS”,即咱们中文的“公共车”，这是很是形象的好比，公共车走的路线是必定的，咱们任何人均可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。若是把咱们人比做是电子信号，这就是为何英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。固然，从专业上来讲，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道。经过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件经过主机相链接，外部设备经过相应的接口电路再于总线相链接。

1.2分类

总线分类的方式有不少，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最经常使用的分类方法。

1.2.1按功能分

　　最多见的是从功能上来对数据总线进行划分，能够分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。在有的系统中，数据总线和地址总线能够在地址锁存器控制下被共享，也即复用。

　　地址总线是专门用来传送地址的。在设计过程当中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。地址总线的位数每每决定了存储器存储空间的大小，好比地址总线为16位，则其最大可存储空间为216（64KB）。

　　数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线一般采用双向三态形式的总线。数据总线的位数一般与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。在实际工做中，数据总线上传送的并不必定是彻底意义上的数据。

　　控制总线是用于传送控制信号和时序信号。若有时微处理器对外部存储器进行操做时要先经过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。控制总线通常是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制须要而定。

1.2.2按传输方式分

　　按照数据传输的方式划分，总线能够被分为串行总线和并行总线。从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增长。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只容许一辆汽车经过单线公路。目前常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等；而并行总线相对来讲种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。

1.2.3按时钟信号方式分

　　按照时钟信号是否独立，能够分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来做为时钟信号线；而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的，一般利用数据信号的边沿来做为时钟同步信号。

2总线传输基本原理

依据前面对总线的定义可知总线的基本做用就是用来传输信号，为了各子系统的信息能有效及时的被传送，为了避免至于彼此间的信号相互干扰和避免物理空间上过于拥挤，其最好的办法就是采用多路复用技术，也就是说总线传输的基本原理就是多路复用技术。所谓多路复用就是指多个用户共享公用信道的一种机制，目前最多见的主要有时分多路复用、频分多路复用和码分多路复用等。

2.1时分多路复用（TDMA）

　　时分复用是将信道按时间加以分割成多个时间段，不一样来源的信号会要求在不一样的时间段内获得响应，彼此信号的传输时间在时间坐标轴上是不会重叠。

2.2频分多路复用（FDMA）

　　频分复用就是把信道的可用频带划分红若干互不交叠的频段，每路信号通过频率调制后的频谱占用其中的一个频段，以此来实现多路不一样频率的信号在同一信道中传输。而当接收端接收到信号后将采用适当的带通滤波器和频率解调器等来恢复原来的信号。

2.3码分多路复用（CDMA）

　　码分多路复用是所被传输的信号都会有各自特定的标识码或地址码，接收端将会根据不一样的标识码或地址码来区分公共信道上的传输信息，只有标识码或地址码彻底一致的状况下传输信息才会被接收。

3总线的通讯协议

　　对于总线的学习，了解其通信协议是整个过程当中最关键的一步，全部介绍总线技术的资料都会花很大的篇幅来描述其协议，特别是ISO/OSI的那七层定义。其实要了解一种总线的协议，最主要的就是去了解总线的帧数据每一位所表明的特性和意义，总线各节点间有效数据的收发都是经过各节点对帧数据位或段的判断和确信来得以实现。

　　如图1所示是常见的I2C总线上传输的一字节数据的数据帧，其总线形式是由数据线SDA和时钟SCL构成的双线制串行总线，并接在总线上的电路模块便可做为发送器（主机）又可做为接收器（从机）。帧数据中除了控制码（包括从机标识码和访问地址码）与数据码外还包括起始信号、结束信号和应答信号。

　　起始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

　　控制码：用来选泽操做目标与对象，即接通须要控制的电路，肯定控制的种类对象。在读期间，也即SCL时钟线处于时钟脉冲高电平时，SDA上的数据位不会跳变。

　　数据码：是主机向从机发送的具体的有用的数据（如对比度、亮度等）和信息。在读期间，SDA上的数据位不会跳变。

　　应答信号：接收方收到8bit数据后，向发送方发出特定的低电平。读/写的方向与其它数据位正好相反，也便是由从机写出该低电平，主机来读取该低电平。

　　结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变表示数据帧传输结束。

固然不一样的总线其数据位或段的定义确定不一样，但依据一样的原理能够更快的去了解它的协议的特性和特色。虽然其信息帧的大小不一，但具体的某一数据位或数据段都相似于本文所说起的I2C总线，会依据它的协议的要求来定义它所达标的意义和功能。

4主要技术指标

评价总线的主要技术指标是总线的带宽（即传输速率）、数据位的宽度（位宽）、工做频率和传输数据的可靠性、稳定性等。

4.1带宽（传输速率）、位宽和工做频率

　　总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每钞传送MB的最大数据传输率。总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念；总线的位宽越宽，数据传输速率越大，总线的带宽就越宽。总线的工做时钟频率以MHz为单位，它与传输的介质、信号的幅度大小和传输距离有关。在一样硬件条件下，咱们采用差分信号传输时的频率经常会比单边信号高得多，这是由于差分信号的的幅度只有单边信号的一半而已。

　　总线的带宽、位宽和工做频率，这三者密切相关，它们之间的关系：

4.2传输数据的可靠性

　　可靠性是评定总线最关键的参数，没有可靠性，传输的数据都是错误的信息，便就失去了总线的实际意义。为了提升总线的可靠性，一般采用的措施有：

　　采用数据帧发送前发送器对总线进行侦听，只有侦听到总线处于空闲状态下时才可向总线传送数据帧，这样避免了不一样节点的数据冲突。

　　采用双绞线差分信号来传送数据，以下降单线的电压升降幅度，减少信号的边沿产生的高次谐波。

　　适当的让数据的边沿具备必定的斜坡。

　　增长匹配电阻和电容等来减小总线上信号的发射和平衡总线上的分布电容等。

　　采用合适的网络拓扑结构和屏蔽技术等来减小受其余信号的干扰。

　　还有就是在软件上经过数字滤波、数据校验纠错等措施来提升数据传输的可靠性。

5结束语

　　学习是一个按部就班的过程，对总线技术的学习和理解也是随着其技术的不断发展而不断更新的过程。子曰“工欲善其事，必先利其器。”只有从最基本的原理出发，打好基础，才能在从此的学习中融会贯通，前仆后继，更进一步深刻该知识点和拓宽知识面。