怎么利用PXI Express平台实现高速数据记录？

传统桌面型仪器的数据传输接口为GPIB、RS-232或是LAN，这些接口的好处在于非常容易操作使用，但在传输大量数据时其效率并不理想。当要采集大量连续数据时，数据长度就会因为内部存储器大小而受限。

孙乙鑫

2019-10-28 14:38:30

目前市面上新款的高级仪器，例如示波器、波型发生器或逻辑分析仪，采用x86的架构，因此在高速、大量数据采集的长度上则基本上没有限制。但若要跨仪器同步达到多通道采集时，便是个困难且复杂的课题。
自从1998年第一版的PXI规格问世后，PXI平台与其模块已经被大量应用于军工、电子制造及科学研究应用中。第一版的PXI规格采用了PCI总线的高速传输特性，而后续的PXI规范更采用了PCIExpress总线，继承了其低延迟(LowLatency)、高带宽及点对点传输的特性，另外再加上特有的触发与时序同步的接口，使得PXI平台与PXI模块特别适合应用于高速数据传输。
当以PXI平台设计适用于高速数据记录的系统，不管是将数据连续由模块化仪器传送至系统内存或存储装置，或者相反的数据流向，都能够利用PXIExpress的高速总线、点对点传输的特性以及特有的触发与时序信号，轻松地完成实现。接下来的文章内容将进一步讨论，在设计、实现数据记录系统的过程中，需要考虑的几个要点与方向。
数据记录系统的架构及其考量因素
下图一简单的示意了一组PXIExpress平台中数据的流向，组成的组件包含了PXIExpress机箱、PXIExpress控制器及模块化仪器，包含数字化仪及波形发生器。以高速数字化仪为例，模拟信号被ADC采集转换成数字量数据后，会搬移到板载内存上暂存，接下来再经由总线控制器及PCIExpress接口，传送到PXIExpress控制器的系统内存上，做后续的计算及处理。若数据的流向目的地是存储设备，则会在未经任何处理计算的情况下，被直接搬移到存储装置，以维持高速、连续不断的数据记录。在PXIExpress背板上，采用了PCIeswitch使得系统得以扩展出更多槽位。由于不同的PXIExpress机箱有不同的槽位型态，因此每个PCIeswitch的绕线方式都不同，进而影响到数据传输效率。如模块化仪器－波形发生器，其数据流则以相反方向运行。

图一、PXIExpress平台与模块化仪器整体架构简化图，显示PXIExpress系统的数据记录传输的方向
接下来我们会讨论数据记录系统的每个环节及对于数据带宽的影响。

目前市面上新款的高级仪器，例如示波器、波型发生器或逻辑分析仪，采用x86的架构，因此在高速、大量数据采集的长度上则基本上没有限制。但若要跨仪器同步达到多通道采集时，便是个困难且复杂的课题。
自从1998年第一版的PXI规格问世后，PXI平台与其模块已经被大量应用于军工、电子制造及科学研究应用中。第一版的PXI规格采用了PCI总线的高速传输特性，而后续的PXI规范更采用了PCIExpress总线，继承了其低延迟(LowLatency)、高带宽及点对点传输的特性，另外再加上特有的触发与时序同步的接口，使得PXI平台与PXI模块特别适合应用于高速数据传输。
当以PXI平台设计适用于高速数据记录的系统，不管是将数据连续由模块化仪器传送至系统内存或存储装置，或者相反的数据流向，都能够利用PXIExpress的高速总线、点对点传输的特性以及特有的触发与时序信号，轻松地完成实现。接下来的文章内容将进一步讨论，在设计、实现数据记录系统的过程中，需要考虑的几个要点与方向。
数据记录系统的架构及其考量因素
下图一简单的示意了一组PXIExpress平台中数据的流向，组成的组件包含了PXIExpress机箱、PXIExpress控制器及模块化仪器，包含数字化仪及波形发生器。以高速数字化仪为例，模拟信号被ADC采集转换成数字量数据后，会搬移到板载内存上暂存，接下来再经由总线控制器及PCIExpress接口，传送到PXIExpress控制器的系统内存上，做后续的计算及处理。若数据的流向目的地是存储设备，则会在未经任何处理计算的情况下，被直接搬移到存储装置，以维持高速、连续不断的数据记录。在PXIExpress背板上，采用了PCIeswitch使得系统得以扩展出更多槽位。由于不同的PXIExpress机箱有不同的槽位型态，因此每个PCIeswitch的绕线方式都不同，进而影响到数据传输效率。如模块化仪器－波形发生器，其数据流则以相反方向运行。

图一、PXIExpress平台与模块化仪器整体架构简化图，显示PXIExpress系统的数据记录传输的方向
接下来我们会讨论数据记录系统的每个环节及对于数据带宽的影响。

刘秀英

2019-10-28 14:38:39

模块化仪器的板载内存
大约十多年前，高速的PCI数字化仪都需要配备大量的板载内存以暂存来自高速ADC的数据，主要原因是当时的PCI总线仅能提供约132MB/s的数据带宽(多数系统仅能达到约80MB/s)。PCI总线的带宽，无法满足于8位1GS/s或14位200MS/s的数字化仪所需要的数据带宽。为了要增加记录或采集时间，512MB、1GB或甚至4GB的板载内存就会被应用于数字化仪之上。目前虽然高速PCIe总线接口可提供数倍于PCI总线的带宽，但数字化仪通常还是会配备有大量的板载内存深度(大于100MB)，用于当作数据暂存，以避免CPU或DMA控制器过于忙碌而无法实时传输数据。举例来说，一个单通道8位500MS/s的数字化仪，在完全不将数据传回系统内存状况下，可以记录高达1秒的时间，若配备有2GB内存则可记录高达4秒。
在选择数字化仪时，另外一个需要注意的就是其板载内存控制器的数据处理带宽。作为ADC与系统内存之间的桥梁，内存控制器需要有两倍的数据传输量，以能同时应付来自ADC的数据流入，以及将数据通过PCIe总线传送至系统内存。若存储设备控制器的带宽小于两倍数据流量，则数据会被暂存在板载内存上，长久下来就会造成数据溢出，而使数据连续性受损。

图二、数字化仪内的数据流
模块化仪器的总线接口
PCI总线提供132MB/s(32位、33MHz)传输速率，针对低速(小于80MB/s)且低价的数据记录应用来说，PCI接口仍可满足，不过需要注意的是，PCI是并行的总线接口，若有多个设备置于同一总线时，带宽则会被分享。区别于PCI总线，PCIExpress接口具有点对点的特性，每个link在每个方向上可提供高达250MB/s传输速率。若要增加带宽，最简单的方式就是将多个link结合起来，成为x4、x8甚至x16通道。而2003年推出的PCIe1.0a规格、2007年推出的PCIe2.0标准，PCI-SIG在2010年11月再度提出PCIe3.0规格，持续推进更新的编码方式及强化的信号完整性以大幅度提升其传输速率，因此对于需要高速数据记录的应用来说，采用PCIe接口的模块化仪器是一大利器。显而易见，采用PCIExpress为模块化仪器的总线接口可以得到优化的系统效率。

PXIExpress机箱内PCIe总线的绕线架构
在PXIExpress机箱的系统槽中，为了让外围槽的扩展及规划更有弹性，系统槽连接到背板上的接口有4-Link及2-Link两种架构。4-Link架构中每个link具备有4个通道，而2-Link架构中则允许其中一个link有8个通道，而另外一个link则可有高达16通道。为了要达到最高的传输速率，在PXIExpress机箱内的PCIExpress总线的走线方式、架构也是需要考虑的重点。以凌华科技PXES-2780机箱为例，这是一款具有18个槽位的机箱，含1个系统槽位、1个系统时序槽位(SystemTimingslot)、6个PXIe外围槽位(PXIePeripheralSlot)及10个混合式槽位(HybridSlot)。当该机箱的系统槽位规划成4-Link接口时，可以提供每个槽位相对高速及平衡的传输速率。由于此机箱内的PCIExpress接口为PCIeGen2，因此对整个系统来说可以提供高达8GB/s的系统带宽，单独对于第8与12槽这种具有x8接口来说，可以拥有4GB/s的带宽，而其他个别的PXIExpress外围槽来说，则可拥有2GB/s的带宽。该机箱的4-Link规划示意图如下:

图三、配置为4-Link的凌华科技PXES-2780机箱示意图
若将PXIExpress系统槽位设置成2-Linkx8，则可得到更高的传输带宽。凌华科技的PXES-2780机箱，其系统槽位可通过软件设置成2-Linkx8接口，其架构如下图4。使用该架构，槽位8与槽位12可以提供x8的带宽。

图四、规划成2-Link的凌华科技PXES-2780机箱示意图
使用者若能熟悉PXIExpress机箱的规划架构，将能使模块化仪器在传输大量数据上获得更佳的传输性能。

李恬恬

2019-10-28 14:38:41

系统内存与操作系统(OS)
在PXIExpress系统控制器上，若能配有大容量的系统内存，则可延长数据记录的时间。然而搭配不同的操作系统(OperatingSystem)可能会有不同的内存上限。例如对于32位的操作系统，其内存寻址空间通常不能超过4GB，而对于64位操作系统而言，一般可达512GB或者1TB的内存寻址。因此使用者需根据自身的需求来选择合适的操作系统，以支持所需的内存空间。
存储装置
要能稳定的执行大数据的读写工作，选择合适的存储装置极为重要。硬盘(HDD)是一种具有特别的机械装置，内含有高速旋转的磁盘以及具有磁性的读写头，来回于磁盘表面上，用以读取磁盘内所存储的数据单元。由此可知，读或写的速度将会受限于读写头的移动速度。为了增加读写的速度，几个硬盘通常会被组合起来成为一个虚拟的硬盘，这也是大家所熟知的RAID(RedundantArrayofIndependentDisks)，即磁盘阵列。另外最近越来越流行的固态磁盘则因为没有读写头的机械移动问题，因此能提供较硬盘更好的读写效率。若考虑到最佳的读写性能的话，固态磁盘将会是最佳的选择。

周彦楠

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孙乙鑫

刘秀英

李恬恬

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请问PXI Express的技术优势是什么？

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