PXI Express平臺的串流架構介紹以及其優(yōu)勢 - 全文

1. 概述

對于許多應用，如RF記錄和回放，電子設備驗證和高通道數(shù)數(shù)據(jù)采集都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。 傳統(tǒng)上，示波器、邏輯分析儀和任意波形發(fā)生器等臺式儀器系統(tǒng)只能實現(xiàn)有限的數(shù)據(jù)串流。 隨著儀器的不斷演進，儀器可能具有令人難以置信的快速采樣率和高信號帶寬，但是儀器與PC之間負責向用戶返回數(shù)據(jù)以便進行處理或存儲的連接總線卻往往是個瓶頸。 數(shù)據(jù)通信總線的吞吐量可直接影響儀器帶寬接入，進而影響整體測試和測量時間。

隨著基于PC的測量硬件不斷采用更高性能的數(shù)據(jù)總線，這些硬件不僅可以更有效地解決現(xiàn)有應用需求，而且還可解決以前無法滿足新的應用需求。 PCI Express到PXI Express總線的演進進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。 從儀器經(jīng)由控制器到達硬盤的數(shù)據(jù)串流將儀器的可用內(nèi)存從百兆字節(jié)提高到千兆字節(jié)。 利用高帶寬PXI Express總線架構，數(shù)據(jù)能夠以足夠高的速率實現(xiàn)硬盤，以支持高端儀器。 現(xiàn)在，隨著讀/寫速度和存儲容量的提高，數(shù)據(jù)流可在比以往更長的測試時間周期內(nèi)實現(xiàn)更快速的采樣率。

2. 典型的串流架構

典型串流架構的主要目標是為了通過儀器高速來回傳輸數(shù)據(jù)以便連續(xù)生成或采集信號。 執(zhí)行信號生成任務時，上位機會從內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，然后通過通信總線傳輸至儀器。 接著儀器會根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成物理信號。 信號采集任務則是反向實現(xiàn)：儀器生成的數(shù)據(jù)通過總線傳輸至上位機，最后存儲在內(nèi)存中。 取決于基本組件與總線接口所搭載的技術，很多元件都會給系統(tǒng)帶來吞吐量瓶頸，進而降低串流速率。

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圖1.評估每個系統(tǒng)接口，以便實現(xiàn)最高串流性能來滿足應用需求，例如存儲和回放已記錄的RF數(shù)據(jù)。

3. 串流架構的發(fā)展

PXI-1標準采用外設部件互連標準(Peripheral Component Interconnect, PCI)總線來實現(xiàn)機箱內(nèi)的PXI模塊與PXI控制器的數(shù)據(jù)交換。 PCI是一種平行總線，其中最常見的是32位位寬*33 MHz頻率。 PXI模塊所采集的數(shù)據(jù)會通過PCI總線、I/O控制器與內(nèi)部總線，從板載設備內(nèi)存?zhèn)魉椭料到y(tǒng)內(nèi)存(RAM)。 接著再通過內(nèi)部總線從系統(tǒng)內(nèi)存?zhèn)鬏斨劣脖P。 PXI模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)則會以相反的方向傳輸。

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圖2.PCI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流架構，位于PXI嵌入式控制器和機箱之間。

根據(jù)規(guī)范，理論上PCI總線的最大帶寬為132 MB/s，可轉換為110 MB/s的實際持續(xù)吞吐量。 由于所有的PCI設備僅通過一條鏈路與主機控制器進行數(shù)據(jù)通信，因此所有設備都會共享110 MB/s的實際帶寬。 因此就PXI系統(tǒng)而言，PXI機箱內(nèi)的所有模塊都會共用PCI總線帶寬。 隨著PXI儀器的性能不斷提高，應用也隨之不斷演變，而且模塊與控制器之間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也將持續(xù)增加。 對于這些應用，PCI總線的吞吐量將很快就不夠用。

作為PCI總線的進化版，PCI Express保留與PCI的軟件兼容性，并將并行總線替換為高速(2.5 Gb/s)串行總線。它借助稱為“巷道(lane)”的差分信號線對發(fā)送數(shù)據(jù)，使各條巷道在各個方向上具有250 MB/s的帶寬。 多條巷道可組合在一起形成x1（乘一）、x4、x8、x16等典型鏈路帶寬。 x16 Gen1鏈路可提供4 GB/s的單向帶寬。 而且，PCI Express設備不像PCI那樣與總線上的所有設備共享帶寬，而是具有專用帶寬。 因此可使用更多的PXI模塊持續(xù)在嵌入式控制器來回傳輸數(shù)據(jù)。

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圖3：鏈路根據(jù)組合中的通道數(shù)量進行定義，并且標示為“xN”，N代表巷道數(shù)量。 例如，PCI Express Gen1巷道支持250 MB/s的速率，而PCI Express Gen2巷道則可支持500 MB/s的速率。

PXI Express機箱可容納PXI或PXI Express模塊，因此可輕松適應不同的應用。 但由于儀器功能越來越豐富，總線技術也越來越精進，因此隨著PCI Express 2.0規(guī)范(也稱為PCI Express Gen2)的推出，PCI總線可提供更高的帶寬。 PCI Express Gen2總線的比特率增加了一倍，從2.5 GT/s提高到5.0 GT/s，因而提供了兩倍于PCI Express Gen1的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時保留與PCI Express Gen1的完整軟硬件向后兼容性。 PXI Express也在不斷地利用最先進的PCI Express技術進步。

例如，NI PXIe-8133嵌入式控制器采用了PCI Express 2.0，提供了4組x4 Gen 2 PCI Express鏈路來連接PXI機箱背板。 PXIe-8133嵌入式控制器的系統(tǒng)總帶寬高達6.4 GB/s，相較于采用PCI Express Gen1鏈路的前一代嵌入式控制器，足足提高了一倍。

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圖4.利用PCI Express Gen2，用戶可同時串流更大量的I/O通道，進而構建更大型、更復雜的數(shù)據(jù)記錄/回放應用。

PXIe-8133嵌入式控制器連接著處理器與板載PCIe開關之間的x16 Gen2鏈路， 板載PCIe開關提供了4組x4 PCIe鏈路，連接至帶寬為6.4 GB/s的PXIe-1075機箱。 PXIe-8133的內(nèi)存控制器搭載最先進的處理器技術，可連接DDR3 1333 MHz DRAM的兩個通道，并且提供8 GB/s的總內(nèi)存吞吐量。強大的PCIe Gen2技術與高內(nèi)存容量均提高了系統(tǒng)總帶寬。 通過這一配置，PXIe-8133搭配PXIe-1075機箱即可充分利用機箱帶寬，實現(xiàn)6.4 GB/s的系統(tǒng)總帶寬?；谶@一架構，機箱與嵌入式控制器的組合現(xiàn)在可匹配相應的機箱帶寬容量，并且隨著機箱設計的演變，將可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。

4. 點對點串流架構

有些高吞吐量應用對于通信延遲和數(shù)據(jù)帶寬容量有嚴苛的要求， 對于這類應用，利用最新的P2P串流技術是不錯的選擇。 NI P2P串流技術采用PCI Express，可直接在多個儀器之間點對點傳輸數(shù)據(jù)，不需經(jīng)過主處理器或內(nèi)存。 因此系統(tǒng)中的設備無需額外占用系統(tǒng)資源即可共享信息。

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圖5. 使用P2P技術，數(shù)據(jù)包無需再經(jīng)過系統(tǒng)主控制器內(nèi)存，這樣設備之間便可確定地傳輸數(shù)據(jù)。

5. 優(yōu)化串流架構

一般來說，對于需要高速數(shù)據(jù)串流的應用，必須從整體上審視整個數(shù)據(jù)傳輸架構，包括模塊、背板以及控制器，這樣才能全面了解平臺的性能。 在以前的串流架構選項中，NI PXI Express嵌入式控制器內(nèi)置的PCI Express鏈路提供足夠的帶寬來盡可能多地傳輸來自機箱的數(shù)據(jù)。 在評估其他廠商的設計方案時，廠商的某些選擇可能會影響系統(tǒng)的整體帶寬容量。

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圖6. 評估嵌入式控制器與機箱選項時，需要考慮架構設計選項，以盡可能避免系統(tǒng)瓶頸。

以圖7為例，其他廠商的PXI Express嵌入式控制器在CPU與板載PCIe開關之間采用了PCI Express x8 Gen1鏈路，因此限制了機箱與處理器之間的帶寬。 雖然其余系統(tǒng)部分可處理高達8 GB/s的串流需求，但是所選用的嵌入式控制器架構仍會導致系統(tǒng)總帶寬僅限于2.0 GB/s。因此在設計串流系統(tǒng)時，必須確保系統(tǒng)元件之間能彼此配合，以實現(xiàn)各自的帶寬規(guī)范級別。

相較之下，NI最新的PXI Express平臺產(chǎn)品、機箱、嵌入式控制器都已針對這些高吞吐量應用進行了優(yōu)化。 PXIe-1085采用最新的PCI Express Gen3技術，并與搭載Intel Xeon八核心處理器的PXIe-8880配合使用。 NI PXIe-1085的插槽均為混合插槽，以便支持PXI 或PXI Express模塊。 總之，這款機箱可為測試/測量應用提供出色的性能和靈活性。

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圖7. PXI Express系統(tǒng)利用PC總線的技術優(yōu)勢來持續(xù)提高數(shù)據(jù)帶寬容量，進而滿足最新的測試應用需求。

PXIe-8880嵌入式控制器通過x16 和x8 PCIe Gen 3 鏈路連接至帶寬為25.6 GB/s的PXIe-1085機箱。 PXIe-8880內(nèi)存控制器采用最先進的處理器技術，可連接至DDR4 1866 MHz DRAM的三個通道，提供了高達30 GB/s的總內(nèi)存吞吐量。強大的PCIe Gen2技術與高內(nèi)存容量使得系統(tǒng)總帶寬比上一代產(chǎn)品提高了一倍，而相比其他廠商的產(chǎn)品則高出三倍之多。 這些PXI Express平臺產(chǎn)品集成于單個機箱之中，能夠以最大速率實現(xiàn)更高性能的儀器串流。

6. 結論

應用的串流性能取決于系統(tǒng)的多個因素。 評估串流架構的每個鏈路對于獲得最大整體系統(tǒng)吞吐量至關重要。 利用最新的PXI Express技術優(yōu)勢，系統(tǒng)的帶寬最高可達到25.6 GB/s。高帶寬容量結合機箱的靈活性可支持多種PXI或PXI Express模塊，滿足各種應用的需求，同時也可適應未來不斷演變的儀器。