基于高帶寬的PXI Express平臺 實(shí)現高速數據記錄

摘要

現今的電子系統需要負荷越來(lái)越大量的數據，包含模擬及數字數據。因此對于研究者與系統開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，其最大的挑戰就是如何整合、測試與維護更高速且精準的測試系統來(lái)處理日益增加的數據量。對于某些應用類(lèi)型，例如視頻信號分析，其需求是如何連續不斷采集高速模擬與數字信息以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。因此在設計或選用這類(lèi)型量測系統時(shí)，若能清楚理解數據流向以及可能的問(wèn)題所在，就能減少開(kāi)發(fā)成本，加速上市時(shí)間，也能避免昂貴的系統重新設計成本。

頻譜監控、信號分析、光達信號采集、光纖測試、雷達及衛星信號收集等應用，屬于典型高速及高精確度數據采集應用。這些應用對工程師們最大的挑戰就是要如何滿(mǎn)足高帶寬的系統需求。本文將分享以PXI Express平臺在建構高帶寬系統時(shí)所需要考慮的細節，例如數字化儀或波型產(chǎn)生器的板載內存、PXI Express機箱內的PCIe信號架構、計算機操作系統、內存及儲存裝置的選擇。

簡(jiǎn)介

傳統桌面型儀器的數據傳輸接口為GPIB、RS-232或是LAN，這些接口的好處在于非常容易操作使用，但在傳輸大量數據時(shí)其效率并不理想。當要采集大量連續數據時(shí)，數據長(cháng)度就會(huì )因為內部存儲器大小而受限。目前市面上新款的高級儀器，例如示波器、波型發(fā)生器或邏輯分析儀，采用x86的架構，因此在高速、大量數據采集的長(cháng)度上則基本上沒(méi)有限制。但若要跨儀器同步達到多通道采集時(shí)，便是個(gè)困難且復雜的課題。

自從1998年第一版的PXI規格問(wèn)世后，PXI平臺與其模塊已經(jīng)被大量應用于軍工、電子制造及科學(xué)研究應用中。第一版的PXI規格采用了PCI總線(xiàn)的高速傳輸特性，而后續的PXI規范更采用了PCI Express總線(xiàn)，繼承了其低延遲(Low Latency)、高帶寬及點(diǎn)對點(diǎn)傳輸的特性，另外再加上特有的觸發(fā)與時(shí)序同步的接口，使得PXI平臺與PXI模塊特別適合應用于高速數據傳輸。

當以PXI平臺設計適用于高速數據記錄的系統，不管是將數據連續由模塊化儀器傳送至系統內存或存儲裝置，或者相反的數據流向，都能夠利用PXI Express的高速總線(xiàn)、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸的特性以及特有的觸發(fā)與時(shí)序信號，輕松地完成實(shí)現。接下來(lái)的文章內容將進(jìn)一步討論，在設計、實(shí)現數據記錄系統的過(guò)程中，需要考慮的幾個(gè)要點(diǎn)與方向。

數據記錄系統的架構及其考量因素

下圖一簡(jiǎn)單的示意了一組PXI Express平臺中數據的流向，組成的組件包含了PXI Express機箱、PXI Express控制器及模塊化儀器，包含數字化儀及波形發(fā)生器。以高速數字化儀為例，模擬信號被ADC采集轉換成數字量數據后，會(huì )搬移到板載內存上暫存，接下來(lái)再經(jīng)由總線(xiàn)控制器及PCI Express接口，傳送到PXI Express控制器的系統內存上，做后續的計算及處理。若數據的流向目的地是存儲設備，則會(huì )在未經(jīng)任何處理計算的情況下，被直接搬移到存儲裝置，以維持高速、連續不斷的數據記錄。在PXI Express背板上，采用了PCIe switch使得系統得以擴展出更多槽位。由于不同的PXI Express機箱有不同的槽位型態(tài)，因此每個(gè)PCIe switch的繞線(xiàn)方式都不同，進(jìn)而影響到數據傳輸效率。如模塊化儀器-波形發(fā)生器，其數據流則以相反方向運行。

圖一、PXI Express平臺與模塊化儀器整體架構簡(jiǎn)化圖，顯示PXI Express系統的數據記錄傳輸的方向

接下來(lái)我們會(huì )討論數據記錄系統的每個(gè)環(huán)節及對于數據帶寬的影響。

l 模塊化儀器的板載內存

大約十多年前，高速的PCI數字化儀都需要配備大量的板載內存以暫存來(lái)自高速ADC的數據，主要原因是當時(shí)的PCI總線(xiàn)僅能提供約132MB/s的數據帶寬(多數系統僅能達到約80MB/s)。PCI總線(xiàn)的帶寬，無(wú)法滿(mǎn)足于8位1GS/s或14位200MS/s的數字化儀所需要的數據帶寬。為了要增加記錄或采集時(shí)間，512MB、1GB或甚至4GB的板載內存就會(huì )被應用于數字化儀之上。目前雖然高速PCIe總線(xiàn)接口可提供數倍于PCI總線(xiàn)的帶寬，但數字化儀通常還是會(huì )配備有大量的板載內存深度(大于100MB)，用于當作數據暫存，以避免CPU或DMA控制器過(guò)于忙碌而無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數據。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)單通道8位500MS/s的數字化儀，在完全不將數據傳回系統內存狀況下，可以記錄高達1秒的時(shí)間，若配備有2GB內存則可記錄高達4秒。

在選擇數字化儀時(shí)，另外一個(gè)需要注意的就是其板載內存控制器的數據處理帶寬。作為ADC與系統內存之間的橋梁，內存控制器需要有兩倍的數據傳輸量，以能同時(shí)應付來(lái)自ADC的數據流入，以及將數據通過(guò)PCIe總線(xiàn)傳送至系統內存。若存儲設備控制器的帶寬小于兩倍數據流量，則數據會(huì )被暫存在板載內存上，長(cháng)久下來(lái)就會(huì )造成數據溢出，而使數據連續性受損。

圖二、數字化儀內的數據流

l 模塊化儀器的總線(xiàn)接口

PCI總線(xiàn)提供132MB/s (32位、33MHz)傳輸速率，針對低速(小于80MB/s)且低價(jià)的數據記錄應用來(lái)說(shuō)，PCI接口仍可滿(mǎn)足，不過(guò)需要注意的是，PCI是并行的總線(xiàn)接口，若有多個(gè)設備置于同一總線(xiàn)時(shí)，帶寬則會(huì )被分享。區別于PCI總線(xiàn)，PCI Express接口具有點(diǎn)對點(diǎn)的特性，每個(gè)link在每個(gè)方向上可提供高達250MB/s傳輸速率。若要增加帶寬，最簡(jiǎn)單的方式就是將多個(gè)link結合起來(lái)，成為x4、x8甚至x16通道。而2003年推出的PCIe 1.0a規格、2007年推出的PCIe 2.0標準，PCI-SIG在2010年11月再度提出PCIe 3.0規格，持續推進(jìn)更新的編碼方式及強化的信號完整性以大幅度提升其傳輸速率，因此對于需要高速數據記錄的應用來(lái)說(shuō)，采用PCIe接口的模塊化儀器是一大利器。顯而易見(jiàn)，采用PCI Express為模塊化儀器的總線(xiàn)接口可以得到優(yōu)化的系統效率。

l PXI Express機箱內PCIe總線(xiàn)的繞線(xiàn)架構

在PXI Express機箱的系統槽中，為了讓外圍槽的擴展及規劃更有彈性，系統槽連接到背板上的接口有4-Link及2-Link兩種架構。4-Link架構中每個(gè)link具備有4個(gè)通道，而2-Link架構中則允許其中一個(gè)link有8個(gè)通道，而另外一個(gè)link則可有高達16通道。為了要達到最高的傳輸速率，在PXI Express機箱內的PCI Express總線(xiàn)的走線(xiàn)方式、架構也是需要考慮的重點(diǎn)。以凌華科技PXES-2780機箱為例，這是一款具有18個(gè)槽位的機箱，含1個(gè)系統槽位、1個(gè)系統時(shí)序槽位(System Timing slot)、6個(gè)PXIe外圍槽位(PXIe Peripheral Slot)及10個(gè)混合式槽位(Hybrid Slot)。當該機箱的系統槽位規劃成4-Link接口時(shí)，可以提供每個(gè)槽位相對高速及平衡的傳輸速率。由于此機箱內的PCI Express接口為PCIe Gen2， 因此對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)可以提供高達8GB/s的系統帶寬，單獨對于第8與12槽這種具有x8接口來(lái)說(shuō)，可以擁有4GB/s的帶寬，而其他個(gè)別的PXI Express外圍槽來(lái)說(shuō)，則可擁有2GB/s的帶寬。該機箱的4-Link規劃示意圖如下: