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破除‘萬能匯流排’迷思

上網時間: 2006年08月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:測試  匯流排  頻寬  虛擬儀器  架構 

萬能匯流排技術存在嗎?許多公司宣稱其匯流排技術可以用作萬能匯流排,能夠滿足所有應用需求。但事實上,每種匯流排技術都有各自的優缺點,適合不同的應用領域。

例如,自IEEE 488標準發佈以來,該標準一直在滿足許多用戶的需要(而改進的IEEE 488.1-2003版本將速度提高了8倍)。在此同時,用戶也已經認識到了IEEE 1394的侷限性。雖然IEEE-1394在高速連接數位攝影機方面是一種非常有效的匯流排技術,但它在其它設備中卻得不到廣泛的認可。

雖然每種匯流排技術都有顯著的優勢,但認為某種匯流排沒有缺點或侷限是言過其實。瞭解各種匯流排的優勢,對測試設備與測量系統的設計師們是非常有益的。

實際應用中,系統通常包含多條通訊匯流排,它們是綜合系統中軟體的基礎框架,透過它們將各種完全不同的技術整合在一起。目前已經有許多高速數據匯流排可用於測試與測量設備。本文將介紹影響這些通訊匯流排應用的一些特性,並針對幾種流行技術進行比較。

為了評估各種匯流排技術是否適合某種應用,工程師必須考慮匯流排的關鍵屬性,如延遲時間、頻寬、軟體支援能力、通訊距離和實用性等。特別是延遲時間和頻寬對性能有很大的影響。延遲時間是指數據在匯流排上傳輸的延遲,而頻寬代表數據在匯流排上發送的速率,通常以MB/s表示。

如果將測量匯流排比喻為高速公路,則延遲時間與公路上的紅燈數量有關,而頻寬則與公路的寬度和車輛行駛速度有關。延遲時間將對像數位萬用表(DMM)測量、開關測量等應用產生直接的影響。而頻寬在波形產生和採集以及射頻測量等應用中非常重要。圖1對不同匯流排的延遲時間和頻寬作了比較。


圖1:滿足許多不同應用需求的匯流排性能

軟體支援是一個很重要的因素,因為透過合適的工具可以進行硬體參數擷取,並降低將各種儀器整合成一個完整測試系統的難度。如果測量匯流排規定了標準的驅動軟體,工程師就可以充分利用這些標準驅動程式進行編程,進而降低系統的整合難度。

另外一個需要考慮的因素是支援的距離。像天線範圍測量這樣的應用就可能要求測量組件之間保持一定的距離。另外,工程師應該考慮從PC到匯流排連接的可用性以及針對特定匯流排的儀器可用性。最後,要考慮選用這種測量匯流排的儀器成本。

非常適用於測試和測量設備的PCI Express是從PCI匯流排發展而來的一種匯流排。與PCI相比,PCI Express的頻寬有了很大的提高,每個方向的通道速率可以達到4GB/s,同時在軟體上仍相容於PCI。USB介面,由於其使用範圍寬和其即插即用的方便特性,目前也深受大眾歡迎。LAN作為一種匯流排特別適合分散式應用。最後還有GPIB匯流排,也是一種非常成功的測量匯流排,因為它具有相對較低的延遲時間,因而適用於很多類型的儀器。

PCI Express匯流排不僅具有速度快、採用模組化硬體架構以及與PCI相容的特性,而且還具有低的延遲時間和更高的匯流排頻寬。與PCI、LAN?a href="https://www.eettaiwan.com/ART_8800406013_480402_NP_cfc7cbf0.HTM" title="Corelis的I2C匯流排分析儀可作為EEPROM編程器" target=_blank>busB和GPIB不同的是,PCI Express匯流排頻寬不是共享的。這種高頻寬可以實現許多新的應用。PCI Express x1在每個方向的通道速率可以達到250MB/s,而x16的通道速率更是高達4GB/s,是PCI的24倍。隨著虛擬儀器的逐漸普及,如此高的頻寬將顯得特別有用。

工程師可以利用虛擬儀器技術,與模組化硬體、開發軟體和PC技術結合來建構用戶定義的系統。相對於供應商定義的箱式儀器,軟體定義方案則具有更大的靈活性。因為這種方法基於具有更強功能和更快速度的PC技術。模組化硬體將儀器分解成單個測量部件,工程師可以根據需要組合這些部件,從而設計出他們自己特定要求的測量儀器。這種分解要求為部件之間的數據串流提供高性能的數據鏈接。而更高頻寬的PCI Express正好可以用來滿足部件之間的這種高數據串流速率。另外,PCI Express還能改善點對點通訊性能,因此系統中的儀器相互間可以借助PCI Express進行快速便捷的通訊。最後,PCI Express在設計時就考慮到了相容性問題。由於採用了精心設計的分層架構,PCI Express能確保與未來產品的相容性,並且在軟體上相容PCI。正是這些更高的性能、模組化硬體架構以及良好的相容性,使得PCI Express能夠滿足許多新的應用。

PCI Express傳遞架構

PCI Express採用分層架構,如圖2所示。從底層開始分別是實體層、數據層、事務處理層、軟體層和OS層。


圖2:PCI具有分層式架構

PCI Express在實體層引入了多通道概念用以增加系統頻寬。基本實體層由一個雙單工通道組成,其中一個用於發送而另一個用於接收,從而組成一個通道。每個PCI Express通道具有2.5GB/s的初始化速度,能在每個方向上提供約250MB/s的標稱頻寬,這與大多數典型的PCI設備相比提高了2~4倍。與PCI中所有設備共享匯流排頻寬不同,這個頻寬是提供給每個設備專用的。透過增加訊號對形成多通道,可以線性調整PCI Express的鏈路頻寬。實體層能提供x1、x2、x8、x12、x16和x32的通道頻寬,從概念上來看,是將輸入數據封包平均分配到多個通道上。因此未來性能的增強、編碼技術或媒體介質的改變將只影響實體層。

鏈路層保證數據封包在PCI Express鏈路上的可靠傳輸。透過使用基於信用機制的流量控制協議,PCI Express可以確保只有在接收端緩衝記憶體具有可用的空間來接收時,才發送數據封包,從而避免產生任何數據封包重傳以及因資源約束條件而造成的匯流排頻寬浪費。當訊號遭到破壞時鏈路層將自動重傳數據封包。

事務處理層採用基於數據封包協議。事務處理層接收來自軟體層的讀寫請求,建構請求封包並傳送給鏈路層。所有請求均按照分離的事務來實現,一些請求數據封包要求一個響應封包。事務處理層也接收來自鏈路層的響應封包,並與原始的軟體請求進行匹配。每個封包都有一個唯一的識別符,因此可以使響應封包直接指向正確的始發點。

PCI Express的軟體相容性特別重要。其軟體層仍保持相容PCI的尋址模式,因此可以確保現有的設備和驅動程式不用修改仍能正常工作。PCI初始化模型在PCI Express架構中也不用修改,在上面執行的作業系統可以自動發現所有存在的附屬硬體設備並配以系統資源,因此在採用PCI Express匯流排的機器上所有作業系統不用修改即可正常啟動。PCI Express架構還保留了PCI使用的執行時間庫軟體模型,因此所有現有軟體也無需任何修改即能正常執行。

由於可用頻寬高、性價比好,又是基於獲得廣泛使用的PCI技術,目前,PCI Express已經得到了廣泛的商用。由於能夠滿足視訊卡和數據儲存應用不斷成長的頻寬需求,PCI Express正在成為深受人們歡迎的技術。另外,像Intel和Dell等大公司的巨額投資也進一步加強了PCI Express的普及,使PCI Express的成本不斷下降。

隨著PCI Express的商用化,工程師還可望將PCI Express用於測試與測量。PCI Express技術將被供應商用於測試與測量領域,因此工程師可以從測試儀器的性能改進中獲益。隨著PCI Express技術在PC市場中的普及,CompactPCI和PXI製造商已經開始將PCI Express整合到其規範中。雖然產品可能明年才會問世,但在PCI工業電腦製造小組(PICMG)的努力下,規範已接近完成。PCI Express的商用化和更高頻寬將促進PCI Express在測試與測量領域中的普及。

CompactPCI和PXI不僅利用PCI Express,而且提供與Compact PCI Express和PXI Express的相容性。在PCI Express軟體相容性的基礎上,PXI提供的標準軟體框架將支援PXI Express。為了提供硬體相容性,新的CompactPCI Express規範定義了一種新的混合擴展槽,允許工程師在該槽中安裝PCI或PCI Express架構的模組卡。利用這一技術,工程師和供應商就可以透過軟硬體相容性來保護對PXI系統和產品的已有投資。

由於設計時考慮了未來的頻寬需求,今後新一代PCI Express匯流排還具有進一步增加頻寬的潛力。同時,由於採用了分層架構,可以在規範中規定透過實體層配置來增加頻寬。最初的第1代訊號頻率是每方向2.5GB/s。隨著矽晶技術的發展,這一參數可望提高至每方向10GB/s,達到銅線傳輸的最大極限速率。

高速視訊採集就是採用PCI Express的應用案例之一。過去,工程師作選擇時,必須面對較窄的頻寬和數據傳輸可靠性較差的事實,或使用非常昂貴的專用系統才能滿足頻寬需求。有了PCI Express提供的出眾頻寬,工程師不再需用上述專用系統就能以更高的精度採集高速視訊,並完成即時事件的表述。例如,工程師現在可以使用NI的PCIe-1429影像採集卡以680MB/s的速率採集數據,而過去只能使用昂貴的板上記憶體陣列進行短時間的影像採集。

USB介面

由於USB非常方便的即插即用特性、高頻寬能力以及USB埠的適用範圍寬,USB已經在許多測試與測量設備中得到廣泛應用。從USB滑鼠或記憶卡的使用就可以看出USB是如何簡化電腦週邊設備的連接和配置並受益於即插即用性能的。USB2.0的發佈確立了新的高速設備類型,其最大傳送速率可達480MB/s。

隨著電腦上USB埠的普及,充分利用這種方便的連接和配置性能,工程師可以在系統中快速整合USB設備。許多USB設備價格都比較低,非常適用於可攜測量、筆記型或桌上型設備的數據記錄以及車內的數據採集/記錄。

在低成本、可攜式數據採集系統中,工程師可以使用USB數據採集設備在桌上型電腦上開發測量設備,然後移植到筆記型電腦上實現現場測量。舉例來說,利用NI公司帶4個隔離式熱電偶輸入的USB-9211模組,工程師可以輕易地開發高性價比的可攜式電壓與環境測量系統。

LAN介面

LAN在測試設備中已經使用了許多年了。由於LAN能夠支援較長的距離要求,LAN非常適合分散式應用或遠端監控。100BaseT LAN在沒有中繼的情況下最長可支援85公尺,採用中繼器後基本沒有距離的限制。針對IEEE 488 TCP/IP命令的軟體標準,如VXI-11,為基於消息的LAN儀器之間的通訊提供了標準協議。

透過LAN介面,工程師把傳統的儀器連接在一起,進行大範圍的低頻監視或分散式測量。LXI(針對儀器的擴展LAN)是一種正在制定中的規範,主要為各種LAN儀器增加觸發標準和相容性標準。最新的Gb乙太網路標準將增加LAN儀器的頻寬,但匯流排延遲時間的改善效果不大。因此,LAN仍最適合中等吞吐量的應用,例如低速分散式數據記錄和傳統的儀器控制。

工廠監視和自動化就是LAN應用的一個例子。由於可以支援任何距離需要,LAN允許工程師方便地設計出能夠監視和控制閥、傳動裝置和遍佈工廠樓層的感測器系統。工程師可以利用LAN支援和維護寬廣範圍內的這種低頻監控系統。

混合系統

混合多平台測試系統能夠將來自多種ATE平台(如PXI、PCI、GPIB、USB和乙太網路)的設備整合進一個系統中。將多種匯流排成功整合進同一個系統中時,一個重要任務就是建立如圖3所示的分層系統架構。


圖3:可以滿足許多領域需求的PCI業務分層

利用這種架構建構的系統,可最大地發揮現有軟硬體投資價值,同時仍能整合新的匯流排技術。這種架構的關鍵部份是上面三層,即軟體框架,它簡化了多種匯流排的整合、配置和編程。

這樣,工程師就可以充分利用某種匯流排在某種應用方面的優勢來滿足多種要求。例如在射頻通訊應用中,工程師可以充分利用PXI和PXI Express的更高頻寬、更嚴格時序和同步性能,來連接下變頻器和數位轉換器,然後透過LAN連接多個相似的測量設備來滿足距離方面的要求。透過整合多種匯流排,工程師可以充分發揮各種匯流排的優勢而建構出更理想的測試系統。

作者:Faya Peng

產品工程師

美商國家儀器公司




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