硬件接口的时钟频率与传输速度的关系——峰值带宽

主板前端总线带宽 2 CPU 带宽 3 内存带宽 4 AGP 带宽 5 PCI 带宽 6 PCI X 带宽 7 PCI E 带宽 8 SATA 硬盘带宽 在了解这些之前 我们有必要先了解一个词 叫做 峰值带宽峰值带宽 名词解释来自百度词条 带宽这个词在电子学领域里很常用 它的意思是指波长 频率或能量带的范围 特指 以每秒周数表示频带的上 下边界频率之差 可以显见带宽是用来描述频带宽度的 但是 在数字传输方面 也常用带宽来衡量传输数据的能力 用它来表示单位时间内传输数据容 量的大小 表示吞吐数据的能力 在很多文章里往往看见关于带宽的各种描述 那么怎么计算有关存储器的带宽呢 对 于存储器的带宽计算有下面的方法 B 表示带宽 F 表示存储器时钟频率 D 表示存储器数据总线位数 则带宽为 B 峰值带宽 F 时钟频率 MHz D 总线位数 bit 8 例如 PC 100 的 SDRAM 带宽计算如下 100MHZ 64BIT 8 800MB S 当然 这个计算方法是针对仅靠上升沿信号传输数据的 SDRAM 而言的 对于上升沿 和下降沿都传输数据的 DDR 来说计算方法有点变化 应该在最后乘 2 因为它的传输效率 是双倍的 这也是 DDR 能够有如此高性能的重要原因 那么有了这个公式 我们就可以去了解 PC 也好 Server 也好的瓶颈以及如何判断的方 法了 首先要说的是 主板的前端总线 因为这个概念从我最初学计算机老师就讲过 但是到现 在也没搞明白到底是什么意思 引一段 ZOL 的术语解释好了 什么是前端总线 什么是前端总线 引用内容引用内容 什么是总线 微机中总线一般有内部总线 系统总线和外部总线 内部总线是微机内部各外围芯片与处 理器之间的总线 用于芯片一级的互连 而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总 线 用于插件板一级的互连 外部总线则是微机和外部设备之间的总线 微机作为一种设 备 通过该总线和其他设备进行信息与数据交换 它用于设备一级的互连 什么是前端总线 什么是前端总线 前端总线 这个名称是由 AMD 在推出 K7 CPU 时提出的概念 但是一直以来都被大家 误认为这个名词不过是外频的另一个名称 我们所说的外频指的是 CPU 与主板连接的速 度 这个概念是建立在数字脉冲信号震荡速度基础之上的 而前端总线的速度指的是数据 传输的速度 由于数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率 即数 据带宽 总线频率 数据位宽 8 目前 PC 机上所能达到的前端总线频率有 266MHz 333MHz 400MHz 533MHz 800MHz 1066MHz 1333MHz 几种 前端总 线频率越大 代表着 CPU 与内存之间的数据传输量越大 更能充分发挥出 CPU 的功能 现在的 CPU 技术发展很快 运算速度提高很快 而足够大的前端总线可以保障有足够的 数据供给给 CPU 较低的前端总线将无法供给足够的数据给 CPU 这样就限制了 CPU 性 能得发挥 成为系统瓶颈 前端总线的英文名字是 Front Side Bus 通常用 FSB 表示 是将 CPU 连接到北桥芯片 的总线 选购主板和 CPU 时 要注意两者搭配问题 一般来说 如果 CPU 不超频 那么 前端总线是由 CPU 决定的 如果主板不支持 CPU 所需要的前端总线 系统就无法工作 也就是说 需要主板和 CPU 都支持某个前端总线 系统才能工作 只不过一个 CPU 默认 的前端总线是唯一的 因此看一个系统的前端总线主要看 CPU 就可以 北桥芯片负责联系内存 显卡等数据吞吐量最大的部件 并和南桥芯片连接 CPU 就是 通过前端总线 FSB 连接到北桥芯片 进而通过北桥芯片和内存 显卡交换数据 前端 总线是 CPU 和外界交换数据的最主要通道 因此前端总线的数据传输能力对计算机整体 性能作用很大 如果没足够快的前端总线 再强的 CPU 也不能明显提高计算机整体速度 数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率 即数据带宽 总线频 率 数据位宽 8 目前 PC 机上所能达到的前端总线频率有 266MHz 333MHz 400MHz 533MHz 800MHz 几种 前端总线频率越大 代表着 CPU 与北桥芯片之间的数据传输能力越大 更能充分发挥出 CPU 的功能 现在的 CPU 技术发展很快 运算速度提高很快 而足够大的前端总线可以保障有足够的数据供给给 CPU 较低的前端总线将无法供给足够的数据给 CPU 这样就限制了 CPU 性能得发挥 成为系统瓶颈 显然同等条件下 前端总线越快 系统性能越好 外频与前端总线频率的区别 前端总线的速度指的是数据传输的速度 外频是 CPU 与主 板之间同步运行的速度 也就是说 100MHz 外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一千万 次 而 100MHz 前端总线指的是每秒钟 CPU 可接受的数据传输量是 100MHz 64bit 6400Mbit s 800MByte s 1Byte 8bit 通过上述了解 相信我们对总线以及前端总线已经有了详细的认识 那么在哪里可以看到 前端总线频率呢 一般在硬件规格里都有说明 比如说 zol 的报价网站 对于主板一般都 有说明的 如果没有明确说明前端总线是多少兆赫 可以看下最大支持的内存频率 一般 是一样的 比如我的笔记本的主板是 PM45 芯片 前端总线 FSB 最高支持 1066MHz 那么主板在配 有单条 1066 频率的内存时的最大带宽就为 1066MHz 64bit 8 8 5GB S 如果两条内存组 成双通道的话 最高带宽可为 1066MHz 128bit 8 17GB S 但实际上我的内存是 DDR2 800 的 所以目前的带宽只能用到 800MHz 64bit 8 6 4GB S 如下图 CPU 带宽 总线带宽 带宽 总线带宽 前面我们已经有了公式了 因此我们直接用公式算就 OK 了 B 表示带宽 F 表示存储器时钟频率 D 表示存储器数据总线位数 则带宽为 B 峰值带宽 F 时钟频率 MHz D 总线位数 bit 8 这里公式有了 如何查看你的 CPU 的时钟频率与位宽呢 我们可以借助 CPU Z 这个小工 具 额定 FSB 就是时钟频率 指令集中的 32 或 64 就是 cpu 的位宽 我的是 EM64T 也 就是 64 位的 CPU 那么 EM64T 又是什么意思呢 引用内容引用内容 Intel 的 EM64T 技术 EM64T 技术官方全名是 Extended Memory 64 Tenchnology 中文 解释就是扩展 64bit 内存技术 现在的 32 位奔腾 4 CPU 都是采用 IA 32 指令集 EM64T 其实就是在这个指令集的基础上进行扩展 我们将它命名为 IA32e Inteln 这种实现 64 位 的方法其实和 AMD 的 x86 64 技术有异曲同工之妙 都是通过 64 位扩展指令来实现兼容 32 位和 64 位的运算 另外不同的是 Intel 的 EM64T 技术设定了 IA 32 和 IA 32e 两种模式 的激活程序 就是说 EM64T 需要满足特定条件才会激活 那么我的 CPU 带宽是多少 800MHz 64 8 6 4GB S 内存带宽 内存带宽 引用内容引用内容 目前主流的内存有 533 667 800 1066 1333 等频率 那么他们的带宽依次就为 533MHz 64bit 8 4 2GB S 667MHz 64bit 8 5 3GB S 800MHz 64bit 8 6 4GB S 这个就是我在用的内存了 1066MHz 64bit 8 8 5GB S 1333MHz 64bit 8 10 7GB S AGP 带宽 带宽 引用内容引用内容 关于 AGP Accelerated Graphic Ports 或者 Advanced Graphic Ports 是当前被已经淘汰 的图形系统接口 这项技术始于十四年以前 当时的 3D 图形加速技术开始流行并且迅速 普及 为了使系统和图形加速卡之间的数据传输获得比 PCI 总线更高的带宽 AGP 便应运 而生 AGP vs PCI 理论上的较量 AGP 和 PCI 根本上的区别在于 AGP 是一个 端口 这意味着它只能接驳一个终端而 这个终端又必须是图形加速卡 PCI 则是一条总线 它可以连接许多不同种类的终端 可 以是显卡 也可以是网卡或者 SCSI 卡 还有声卡 等等等等 所有这些不同的终端都必 须共享这条 PCI 总线和它的带宽 而 AGP 则为图形加速卡提供了直接通向芯片组的专线 从那里它又可以通向 CPU 系统内存或者 PCI 总线 普通的 PCI 总线数据宽度为 32 位 bit 以 33MHz 的速度运行 这样它能提供的最 大带宽就是 4byte sX33MHz 133MB s 尽管新的 PCI64 66 规范提供了 64 位的数据宽度 和 66MHz 的工作频率 带宽相应达到了 533MB s 但它面向的是需要极高数据带宽的 I O 控制器 比如 IEEE1394 或者千兆位的网卡 目前几乎没有得到任何支持 AGP 同样是 32 位的数据宽度 但它的工作频率从 66MHz 开始 这样 按常规方法利用每个时钟周期 的下降沿传输数据的 AGP1X 规范就能提供 266MB s 的带宽 而 AGP2X 通过同时利用 时钟周期的上升和下降沿传输数据 可以达到 533MB s 的带宽 比较新的 AGP4X 更是把 带宽提高到了 1066MB s 而最新的 AGP8X 将带宽提高到了 2 12GB s PCI 外设互联标准 总线带宽 外设互联标准 总线带宽 PCI 接口图 下图中画红圈的接口就是 PCI 接口 引用内容引用内容 PCI Peripheral Component Interconnect 一种由英特尔 Intel 公司 1991 年推出的用于定义局部总线的标准 此标准允许在 计算机内安装多达 10 个遵从 PCI 标准的扩展卡 最早提出的 PCI 总线工作在 33MHz 频 率之下 传输带宽达到 133MB s 33MHz 32bit s 基本上满足了当时处理器的发展需要 PCI X 总线带宽 总线带宽 PCI X 接口截图 下图红圈部分即为 PCI X 接口 引用内容引用内容 PCI X 接口是并连的 PCI 总线 Peripheral Components Interconnect 的更新版本 仍采 用传统的总线技术 不过有更多数量的接线针脚 同时 如前所述的所有的连接装置会共 享所有可用的频宽 与原先 PCI 接口所不同的是 一改过去的 32 位 PCI X 采用 64 位宽度来传送数据 所以频宽自动就倍增两倍 而扩充槽的长度当然就不可避免 的加大了 除此之外 其余的 包含传输通讯协议 讯号和标准的接头格式都一并兼容 好处是 3 3 伏特的 32 位 PCI 适 配卡可以用在 PCI X 扩充槽上 当然如果 你愿意 也可以将 64 位 PCI X 适配卡接在 32 位 PCI 扩充槽上 不过 频宽速度将会大减 这个总线宽度倍增的改良版本对一些专业储存控制器 例如 SCSI iSCSI 光纤信道 Fibre Channel 10GBit 以太网络和 InfiniBand 等其 它传输装置 仍然无法提供足够 的频宽 因此引进 PCI SIG Special Interest Group 接口以提供数个不同速度等级 可 以从 PCI X 66 Rev 1 0b 一路 上到 PCI X 533 Rev 2 0 规格 以下表列这些技术 细节 总线宽度 频率速度 功能 频宽 PCI X 66 64 位 66MHz Hot Plugging 3 3 V 533MB s PCI X 133 64 位 133MHz Hot Plugging 3 3 V 1 06GB s PCI X 266 64 位 16 位选项 133MHzDouble Data Rate Hot Plugging 3 3 1 5 V ECC supported 2 13GB s PCI X 533 64 16 位选项 133MHzQuad Data Rate Hot Plugging 3 3 1 5 V ECC supported 4 26GB 你可以看到当频率速度到达了 PCI X 133 的 133MHz 时候 就再也升不上去 为了让 频宽能够倍增 于是不惜将主存储器及前端总线上已经行 之有年而且路人皆知的技术搬过 来 因此 PCI X 266 用上 Double Data Rate 技术 让每一个时钟脉冲的上升与下降边缘 都可以传输数据 所以有多出了一 倍的机会来传输数据 而 PCI X 533 规格更进一步采 用每一个时钟脉冲可以传送四次 Quad Data Rate 的技术 英特尔早在所有的 Pentium 4 和 Xeon 处理器 的前端总线就用上这些技术了 PCI E 接口带宽 接口带宽 PCI E 接口图 下图中的红圈部分即为 PCI 接口 引用内容引用内容 PCI Express 是新一代的总线接口 而采用此类接口的显卡产品 已经在 2004 年正式面世 早在 2001 年的春季 英特尔开发者论坛 上 英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代 PCI 总线和多种芯片的内部连接 并称之为第三代 I O 总线技术 随后在 2001 年底 包括 Intel AMD DELL IBM 在内的 20 多家业界主导公司开始起草新技术的规范 并在 2002 年完成 对其正式命名为 PCI Express PCI Express 采用了目前业内流行的点对点串行连接 比起 PCI 以及更早期的计算机 总线的共享并行架构 每个设备都有自己的专用连接 不需要向整个总线请求带宽 而且 可以把数据传输率提高到一个很高的频率 达到 PCI 所不能提供的高带宽 相对于传统 PCI 总线在单一时间周期内只能实现单向传输 PCI Express 的双单工连接能提供更高的 传输速率和质量 它们之间的差异跟半双工和全双工类似 PCI Express 的接口根据总线位宽不同而有所差异 包括 X1 X4 X8 以及 X16 X2 模式将用于内部接口而非插槽模式 较短的 PCI Express 卡可以插入较长的 PCI Express 插槽中使用 PCI Express 接口能够支持热拔插 这也是个不小的飞跃 PCI Express 卡支持的三种电压分别为 3 3V 3 3Vaux 以及 12V 用于取代 AGP 接口的 PCI Express 接口位宽为 X16 将能够提供 5GB s 的带宽 即便有编码上的损耗但仍能够提 4GB s 左右的实际带宽 远远超过 AGP 8X 的 2 1GB s 的带宽 PCI Express 规格从 1 条通道连接到 32 条通道连接 有非常强的伸缩性 以满足不同 系统设备对数据传输带宽不同的需求 例如 PCI Express X1 规格支持双向数据传输 每 向数据传输带宽 250MB s PCI Express X1 已经可以满足主流声效芯片 网卡芯片和存储 设备对数据传输带宽的需求 但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求 因此 必须采用 PCI Express X16 即 16 条点对点数据传输通道连接来取代传统的 AGP 总线 PCI Express X16 也支持双向数据传输 每向数据传输带宽高达 4GB s 双向数据传输带 宽有 8GB s 之多 相比之下 目前广泛采用的 AGP 8X 数据传输只提供 2 1GB s 的数据传 输带宽 尽管 PCI Express 技术规格允许实现 X1 250MB 秒 X2 X4 X8 X12 X16 和 X32 通道规格 但是依目前形式来看 PCI Express X1 和 PCI Express X16 将成为 PCI Express 主流规格 同时芯片组厂商将在南桥芯片当中添加对 PCI Express X1 的支持 在北桥芯片当中添加对 PCI Express X16 的支持 除去提供极高数据传输带宽之外 PCI Express 因为采用串行数据包方式传递数据 所以 PCI Express 接口每个针脚可以获得比 传统 I O 标准更多的带宽 这样就可以降低 PCI Express 设备生产成本和体积 另外 PCI Express 也支持高阶电源管理 支持热插拔 支持数据同步传输 为优先传输数据进 行带宽优化 在兼容性方面 PCI Express 在软件层面上兼容目前的 PCI 技术和设备 支持 PCI 设 备和内存模组的初始化 也就是说目前的驱动程序 操作系统无需推倒重来 就可以支持 PCI Express 设备 PCI Express 是新一代能够提供大量带宽和丰富功能以实现令人激动 的新式图形应用的全新架构 PCI Express 可以为带宽渴求型应用分配相应的带宽 大幅 提高中央处理器 CPU 和图形处理器 GPU 之间的带宽 对最终用户而言 他们可以 感受影院级图象效果 并获得无缝多媒体体验 PCI Express 采用串行方式传输 Data 它和原有的 ISA PCI 和 AGP 总线不同 这 种传输方式 不必因为某个硬件的频率而影响到整个系统性能的发挥 当然了 整个系统 依然是一个整体 但是我们可以方便的提高某一频率低的硬件的频率 以便系统在没有瓶 颈的环境下使用 以串行方式提升频率增进效能 关键的限制在于采用什么样的物理传输 介质 目前人们普遍采用铜线路 而理论上铜这个材质可以提供的传输极限是 10 Gbps 这也就是为什么 PCI Express 的极限传输速度的答案 因为 PCI Express 工作模式是一种称之为 电压差式传输 的方式 两条铜线 通过相 互间的电压差来表示逻辑符号 0 和 1 以这种方式进行资料传输 可以支持极高的运行频 率 所以在速度达到 10Gbps 后 只需换用光纤 Fibre Channel 就可以使之效能倍增 PCI Express 是下一阶段的主要传输总线带宽技术 然而 GPU 对总线带宽的需求是 子系统中最高的 显而易见的是 视频在 PCI Express 应占有一定的分量 显然 PCI Express 的提出 并非是总线形式的一个结束 恰恰相反 其技术的成熟仍旧需要这个时 间 当然了 趁这个时间 那些芯片 主板 视频等厂家是否能出来支持是 PCI Express 发展的关键 不过 至今依然被看好的 AGP8X 的性能与 PCI Express 在性能上的差距虽 然不是太明显 但是随着 PCI Express 的完善 其差距将是不言而喻的 PCI Express 是最新的总线和接口标准 它原来的名称为 3GIO 是由英特尔提出的 很明显英特尔的意思是它代表着下一代 I O 接口标准 交由 PCI SIG PCI 特殊兴趣组织 认证发布后才改名为 PCI Express 这个新标准将全面取代现行的 PCI 和 AGP 最终实 现总线标准的统一 它的主要优势就是数据传输速率高 目前最高可达到 10GB s 以上 而且还有相当大的发展潜力 PCI Express 也有多种规格 从 PCI Express 1X 到 PCI Express 16X 能满足现在和将来一定时间内出现的低速设备和高速设备的需求 能支持 PCI Express 的主要是英特尔的 i915 和 i925 系列芯片组 当然要实现全面取代 PCI 和 AGP 也需要一个相当长的过程 就象当初 PCI 取代 ISA 一样 都会有个过渡的过程 PCI Express x16 插槽 PCI Express x1 插槽 PCIe 的规范主要是为了提升电脑内部所有总线的速度 因此频宽有多种不同规格标准 其中 PCIe x16 是专为显卡所设计的部分 AGP 的资料传输效率最高为 2 1GB s 不过 对上 PCIe x16 的 8GB s 很明显的就分出胜负 但 8GB s 只有指资料传输的理想值 并不是使用 PCIe 接口的显示卡 就能够有突飞猛进的效能表现 实际的测试数据上并不 会有这么大的差异存在 SATA 接口 接口 SATA 接口图 引用内容引用内容 SATA 的全称是 Serial Advanced Technology Attachment 串行高级技术附件 一种基于 行业标准的串行硬件驱动器接口 是由 Intel IBM Dell APT Maxtor 和 Seagate 公 司共同提出的硬盘接口规范 2001 年 由 Intel APT Dell IBM 希捷 迈拓这几大厂 商组成的 Serial ATA 委员会正式确立了 Serial ATA 1 0 规范 在当年的 IDF Fall 大会上 Seagate 宣布了 Serial ATA 1 0 标准 正式宣告了 SATA 规范的确立 2002 年 虽然串行 ATA 的相关设备还未正式上市 但 Serial ATA 委员会已抢先确立 了 Serial ATA 2 0 规范 SATA 规范将硬盘的外部传输速率理论值提高到了 150MB s 比 PATA 标准 ATA 100 高出 50 比 ATA 133 也要高出约 13 而随着未来后续版本的发 展 SATA 接口的速率还可扩展到 2X 和 4X 300MB s 和 600MB s 从其发展计划来看 未来的 SATA 也将通过提升时钟频率来提高接口传输速率 让硬盘也能够超频 SATA 接口需要硬件芯片的支持 例如 Intel ICH5 R VIA VT8237 nVIDIA 的 MCP RAID 和 SiS964 如果主板南桥芯片不能直接支持的话 就需要选择第三方的芯片 例如 Silicon Image 3112A 芯片等 不过这样也就会产生一些硬件性能的差异 并且驱动程序也 比较繁杂 SATA 的优势 支持热插拔 传输速度快 执行效率高 使用 SATA Serial ATA 口 的硬盘又叫串口硬盘 是未来 PC 机硬盘的趋势 Serial ATA 采用串行连接方式 串行 ATA 总线使用嵌入式时钟信号 具备了更强的纠错能力 与以往相比其最大的区别在于能 对传输指令 不仅仅是数据 进行检查 如果发现错误会自动矫正 这在很大程度上提高 了数据传输的可靠性 串行接口还具有结构简单 支持热插拔的优点 串口硬盘是一种完全不同于并行 ATA 的新型硬盘接口类型 由于采用串行方式传输数 据而知名 相对于并行 ATA 来说 就具有很多的优势 首先 Serial ATA 以连续串行的方 式传送数据 一次只会传送 1 位数据 这样能减少 SATA 接口的针脚数目 使连接电缆数 目变少 效率也会更高 实际上 Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作 分别用 于连接电缆 连接地线 发送数据和接收数据 同时这样的架构还能降低系统能耗和减小 系统复杂性 其次 Serial ATA 的起点更高 发展潜力更大 Serial ATA 1 0 定义的数据 传输率可达 150MB s 这比最快的并行 ATA 即 ATA 133 所能达到 133MB s 的最高数 据传输率还高 而在 Serial ATA 2 0 的数据传输率达到 300MB s 最终 SATA 将实现 600MB s 的最高数据传输率 SATA 的物理设计 可说是以 Fibre Channel 光纤通道 作为蓝本 所以采用四芯接线 需求的电压则大幅度减低至 250mV 最高 500mV 较传统并行 ATA 接口的 5V 少上 20 倍 因此 厂商可以给 Serial ATA 硬盘附加上高级的硬盘功能 如热插拔 Hot Swapping 等 更重要的是 在连接形式上 除了传统的点对点 Point to Point 形式外 SATA 还支持 星 形 连接 这样就可以给 RAID 这样的高级应用提供设计上的便利 在实际的使用中 SATA 的主机总线适配器 HBA Host Bus Adapter 就好像网络上的交换机一样 可以实现 以通道的形式和单独的每个硬盘通讯 即每个 SATA 硬盘都独占一个传输通道 所以不存 在象并行 ATA 那样的主 从控制的问题 Serial ATA 规范不仅立足于未来 而且还保留了多种向后兼容方式 在使用上不存在 兼容性的问题 在硬件方面 Serial ATA 标准中允许使用转换器提供同并