介紹

自1998年發(fā)布后，PXI 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在自動測試系統(tǒng)領(lǐng)域迅速地獲得采用并且廣泛發(fā)展。在成千上萬的應(yīng)用中都采用PXI作為平臺，所涉及的領(lǐng)域從軍事和航空航天、消費類電子產(chǎn)品，以及通信系統(tǒng)到過程控制和工業(yè)自動化等。促使PXI被快速采用的一個關(guān)鍵因素，是它在通訊背板中采用了PCI技術(shù)。現(xiàn)在，隨著商業(yè)PC行業(yè)將PCI總線升級為PCI Express總線，大幅提升了可用的總線帶寬。通過將PCI Express技術(shù)應(yīng)用到PXI標(biāo)準(zhǔn)中，使得PXI有能力滿足更多的應(yīng)用需求。為了確保成功地將PCI Express技術(shù)集成到PXI 和 CompactPCI背板中，管理CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)的PCI行業(yè)制造商協(xié)會(PCI Industrial Manufacturers Group， PICMG)的工程師和管理PXI標(biāo)準(zhǔn)的PXI系統(tǒng)聯(lián)盟（PXI Systems Alliance ，PXISA）的工程師通力合作，確保在將PCI Express技術(shù)集成進背板的同時，依然保留其與現(xiàn)有的大量已安裝系統(tǒng)的兼容性。通過PCI Express技術(shù)，使用者受益于帶寬的顯著增加、可靠的向后兼容性，以及附加的定時和同步功能，在現(xiàn)有的平臺的基礎(chǔ)上不斷提高。

圖1.借助于PCI Express提供的更高的數(shù)據(jù)帶寬和更低的總線延遲，PXI Express系統(tǒng)能夠輕易地應(yīng)對諸如高頻應(yīng)用、高速數(shù)字接口、以及高速成像等新型應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

使新的應(yīng)用成為可能

通過利用背板中的PCI Express技術(shù)，PXI Express總線將PXI總線的可用帶寬從132 MB/s增加到8 GB/s，達(dá)到60倍以上的帶寬提升，同時始終保持與PXI模塊的軟件和硬件兼容性。利用這個性能的提升，PXI能夠涉足到許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，而過去，這些應(yīng)用領(lǐng)域中的大部分只能通過昂貴的和專用的硬件來實現(xiàn)。比如，通過使用PCI Express技術(shù)，借助于嵌入式控制器或者連接至PC的MXI控制器，一個數(shù)字化儀能夠與CPU之間實現(xiàn)帶寬為1 GB/s的直接數(shù)據(jù)傳輸。與以往的32-bit, 33 MHz的 PCI總線相比，其數(shù)據(jù)吞吐量實現(xiàn)8倍以上的提升。因此。利用PCI Express技術(shù)，一個高分辨率16-bit 中頻信號分析儀或發(fā)生器能夠以高達(dá)500 MHz的帶寬持續(xù)不斷地與CPU進行數(shù)據(jù)傳輸，避免了總線的限制或者與相鄰模塊共享帶寬。

特別是在軍事和航空航天工業(yè)領(lǐng)域的自動測試應(yīng)用中，PXI Express的高帶寬性能為許多應(yīng)用提供了新的解決方案。

• 用于通訊系統(tǒng)測試的高帶寬中頻儀器
• 高速數(shù)字協(xié)議接口，包括基于LVDS的專有協(xié)定、IEEE 1394 、光纖通道等
• 用于結(jié)構(gòu)和聲學(xué)測試的大通道數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
• 高速圖像采集

將PCI Express技術(shù)應(yīng)用于CompactPCI和 PXI

PCI Express被用于改進PCI總線平臺。與PCI相比，PCI Express較為人熟知的優(yōu)勢在于其點對點的總線拓?fù)浼夹g(shù)。用于PCI的共享總線被一個共享切換器替代，這就使每臺設(shè)備都能夠各自直接使用總線。與總線上在所有設(shè)備之間分配帶寬的PCI總線不同，PCI Express為每個設(shè)備提供各自專有的數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式，通過一對被稱為Lane的發(fā)射和接受信號通道順序發(fā)送（允許每個Lane在每個方向上實現(xiàn)250 MB/s的帶寬）。多個線路能夠集合成x1 (“乘1”)、x2,、 x4、 x8、x12、 x16，以及x32 lane寬度從而增加連接插槽的帶寬。與PCI總線相比，PCI Express顯著提高了數(shù)據(jù)帶寬，對板載內(nèi)存的需求變得較小，同時實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。例如，與32bit、33 MHz 的PCI中所有設(shè)備共享132 MB/s帶寬相比，通過一個x16插槽，PCI Express能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)4 GB/s 的專用帶寬。

為了成功地將PCI Express技術(shù)集成到CompactPCI和PXI總線中，同時保持向后兼容，PICMG (www.picmg.org)和PXISA (www.pxisa.org)采用了一種協(xié)調(diào)的方案，從而確保平穩(wěn)過渡。由于PXI是基于CompactPCI規(guī)范而建立的，整合PCI Express的工作首先在2004年早些時候從CompactPCI Express開始實施。定義好CompactPCI Express系統(tǒng)的機械和電學(xué)特性之后，CompactPCI Express規(guī)范轉(zhuǎn)而定義PXI Express系統(tǒng)的機械和電學(xué)特性。2005年6月27號發(fā)布的CompactPCI Express規(guī)范中，包括了用于支持PCI Express的各種連接器的選擇、插槽和板卡機械特性的定義、插槽和板卡的電子信號的定義，以及兼容性測試要求。在2005年5月，開始了PXI Express規(guī)范的制定工作，在2005年9月PXI Express規(guī)范被審核通過。PXI Express規(guī)范中融合了CompactPCI Express技術(shù)，同時添加了用于PXI兼容性、定時和同步，以及系統(tǒng)軟件框架的規(guī)范。

如下圖2所示，因為CompactPCI/PXI Express背板在集成了PCI Express的同時依舊保留了與現(xiàn)有PXI模塊的兼容性，所以用戶在從不斷增長的帶寬性能中獲益的同時仍然能夠保持與現(xiàn)有系統(tǒng)的向后兼容性。PXI Express 為PCI 和PCI Express定義了用于傳遞信號的PXI Express混合插槽。由于使用PCI Express信號線將系統(tǒng)插槽控制器連接到背板上的混合插槽，PXI Express提供了一個從控制器到背板插槽的高帶寬通道。使用一個低成本的PCI Express-至-PCI的橋接芯片，PXI Express向所有的PXI和PXI Express插槽提供PCI信號，從而確保與背板上的PXI模塊的兼容性。除了支持 x8 連接外，還可支持高達(dá) x16的PCI Express 連接，系統(tǒng)控制器插槽能夠向PXI背板提供總計為8 GB/s的帶寬， 與PXI背板相比，數(shù)據(jù)吞吐量的提升超過60倍。


圖2.在保留對現(xiàn)有PXI模塊所有插槽兼容性的同時，這個八插槽背板增加了三個各自專用帶寬為1 GB/s的新型高性能插槽。

通過利用PXI背板上可用的高密度針腳，PXI Express混合插槽能夠同時為PCI 和 PCI Express模塊傳遞信號。在這樣的情況下，這些PXI Express混合插槽能夠提供臺式機卡片式連接器所不具有的向后兼容性（臺式機卡片式連接器的單一插槽無法同時支持PCI 和PCI Express 信號發(fā)送）。因此，混合插槽允許安裝一個使用PCI 通信協(xié)議的PXI模塊或者一個使用未來高性能PCI Express通信協(xié)議的PXI Express 模塊。

在圖片3中，PXI Express混合插槽的圖形展示了它如何同時兼容性PXI 和 PXI Express。P1 和XP4連接器保留當(dāng)今PXI的PCI信號傳輸和PXI定時與同步信號傳輸。使用新型XP3連接器，混合插槽除了為x8 PCI Express提供連接外，也能為附加的定時和同步提供針腳。


圖片3.與臺式機中的插槽不同，新型PXI Express混合外圍插槽通過使用額外的區(qū)域為背板上的插腳提供硬件兼容性，從而在單一插槽中安裝通過PCI或PCI Express模塊。

保持軟件的兼容性

除了通過混合插槽提供硬件兼容性外，PXI Express系統(tǒng)也能提供軟件兼容，所以工程師們不會浪費他們在現(xiàn)有軟件上的投資。通過PCI外圍部件互連專業(yè)組(PCI Special Interest Group ，PCI-SIG)，PCI Express軟件的兼容性得到保證，該專業(yè)組包括Intel 和Dell等公司。因為PCI Express使用與PCI相同的驅(qū)動程序和操作系統(tǒng)模型，所以該規(guī)范保證在基于PCI系統(tǒng)（比如PXI）進行開發(fā)和基于PCI Express系統(tǒng)（比如PXI Express）進行開發(fā)的之間工程師們具有完全的軟件兼容性。因此，供應(yīng)商和客戶無需為基于PCI Express的系統(tǒng)更換驅(qū)動或者應(yīng)用軟件。

通過在PCI 和 PCI Express 技術(shù)之間保持軟件的兼容性，該規(guī)范大幅降低了供應(yīng)商和集成商將新型PCI Express技術(shù)植入現(xiàn)有測試系統(tǒng)中的成本。通過由混合插槽提供硬件兼容性和軟件的兼容性，添加PXI Express技術(shù)的成本降到了較低。

提供附加的定時和同步特性

PXI Express不僅保留了PXI的定時和同步特性，同時還通過利用PXI中已有的差分連接器，提供更高性能、更低成本的差分信號連接技術(shù)，增添了多個新的同步特性。如圖片4所示，在PXI中已有的功能的基礎(chǔ)上，PXI Express通過一個差分系統(tǒng)時鐘、差分信號傳輸，以及差分星觸發(fā)，從而實現(xiàn)附加的定時和同步特性。通過使用差分時鐘和同步技術(shù)，PXI Express系統(tǒng)獲得了抗干擾能力更強的儀器時鐘和以傳遞更高頻率時鐘信號的能力。  除此之外，除了允許工程師提升系統(tǒng)的性能外，高頻時鐘也能與現(xiàn)代處理算法匹配良好，同時還允許低在成本產(chǎn)品中刪除時鐘倍頻電路。PXI Express具有行業(yè)中較好的同步和延遲性能，改進了高帶寬應(yīng)用的測量精度和的測試時間。

PXI的未來

將PCI Express技術(shù)植入PXI中將會使得PXI Express能夠涉足新的應(yīng)用領(lǐng)域，然而許多已有的PXI應(yīng)用無法從PXI Express的性能提升中受益。比如，數(shù)字式萬用表(DMM) 、開關(guān)模塊、工業(yè)I/O接口、總線接口等，同時許多主流信號發(fā)生器和分析儀等硬件不會從背板帶寬的提升中受益。因此。PXI Express規(guī)范中較有價值的一個部分是其有能力同時將PCI 和 PCI Express信號傳輸引入到新型插槽中。因此，工程師們不能期望儀器生產(chǎn)商們?yōu)镻XI Express重新設(shè)計所有的現(xiàn)有的電路板，事實上，因為現(xiàn)有的PCI架構(gòu)能夠符合應(yīng)用的需要，而且 PCI信號能夠提供給所有的插槽，許多儀器生產(chǎn)商將繼續(xù)在PCI架構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)PXI產(chǎn)品。

在2007年1月，PCI-SIG作為PCI總線規(guī)范的制定機構(gòu)，聲明發(fā)布了PCI Express 2.0規(guī)范(同樣被稱為第二代PCI Express)。通過將總線位速率從2.5 GT/s 翻倍至5.0 GT/s，同時保證與第一代 PCI Express的完全的向后硬件和軟件兼容性，第二代PCI Express規(guī)范將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到第一代的兩倍。工程師和科學(xué)家們可以期待，PXI Express產(chǎn)品將運用這一進展，增強PXI平臺的性能。


圖片4.在PXI平臺中已有功能的基礎(chǔ)上