Whitepaper „Streaming-Architektur der branchenweit leistungsstärksten PXI-Express-Plattform“

Viele Anwendungen wie die Aufzeichnung und Wiedergabe von HF-Signalen, Validierung elektronischer Geräte und Datenerfassung mit vielen Kanälen erzeugen gewaltige Datenmengen. Bei herkömmlichen Messsystemen für den Prüfplatz wie etwa Oszilloskopen, Logikanalysatoren und Signalgeneratoren ist die Fähigkeit zum Datenstreaming nur begrenzt. Neue Messgeräte mögen zwar sehr schnelle Sample-Raten und hohe Bandbreiten bieten, jedoch stellt der Bus, der das Messgerät mit dem PC verbindet, um die Daten für den Anwender zur Verarbeitung und Speicherung verfügbar zu machen, häufig eine Schwachstelle dar.  Die Durchsatzleistung des Datenkommunikationsbusses kann sich direkt auf den Bandbreitenzugriff von Messgeräten auswirken und damit auch auf die Mess- und Prüfzeiten.

Da PC-gestützte Messhardware mit immer leistungsstärkeren Bussystemen ausgestattet ist, können nicht nur die Anforderungen bestehender Anwendungen effizienter erfüllt, sondern auch neue Anwendungen realisiert werden.  Mit den Bussystemen PCI Express und PXI Express sind nun noch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten möglich. Aufgrund des Streamings vom Messgerät über den Controller auf die Festplatte wird der verfügbare Speicherplatz des Messgeräts von Megabytes auf Terabytes erhöht.  Durch den Einsatz der Busarchitektur von PXI Express, die eine hohe Bandbreite bietet, können Daten von und zur Festplatte mit einer Geschwindigkeit übertragen werden, die auch für Anwendungen der High-End-Messgerätetechnik ausreichend ist.  Aufgrund höherer Lese-, Schreibgeschwindigkeit und Speicherkapazität ermöglicht das Datenstreaming nun höhere Sample-Raten über längere Prüfzeiten.

Das wichtigste Ziel einer typischen Streaming-Architektur besteht darin, Daten auf oder von einem Messgerät so schnell zu übertragen, dass eine kontinuierliche Datenerzeugung oder -erfassung erreicht wird. Bei der Ausführung eines Signalerzeugungstaks nimmt der Host-PC Daten aus dem Speicher auf und gibt sie über den Kommunikationsbus an das Messgerät weiter. Das Messgerät erzeugt anschließend aus den Daten ein physikalisches Signal. Der Erfassungstask läuft andersherum ab, indem die vom Messgerät erzeugten Daten über den Bus zum Abspeichern an den Host-PC weitergegeben werden. Abhängig von der Technologie, die für die grundlegenden Komponenten und Busschnittstellen verwendet wird, können mehrere Elemente Durchsatzengpässe im System verursachen, so dass die effektive Streamingrate reduziert wird.

Abbildung 1. Bewerten Sie jede Schnittstelle im System, um die Streaming-Fähigkeiten zu maximieren, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen, z. B. das Speichern und Wiedergeben aufgezeichneter HF-Daten.    

Der Standard PXI-1 nutzt den PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) zum Austausch von Daten zwischen den PXI-Modulen im Chassis und dem PXI-Controller. Bei PCI handelt es sich um einen parallelen Bus, der in seiner gebräuchlichsten Implementierung 32 Bit und einen Takt von 33 MHz bietet. Von einem PXI-Modul erfasste Daten werden vom integrierten Gerätespeicher erst über den PCI-Bus, dann durch den I/O-Controller über den internen Bus und schließlich in den Systemspeicher (RAM) übertragen. Anschließend können die Daten vom Systemspeicher über den internen Bus auf eine oder mehrere Festplatten übertragen werden. Daten, die von einem PXI-Modul erzeugt werden, folgen der entgegengesetzten Richtung.

Abbildung 2. Die Datenstreaming-Architektur eines PCI-basierten Systems, das zwischen dem PXI-basierten Embedded-Controller und -Chassis implementiert wird.

Den Spezifikationen zufolge beträgt die theoretische maximale Bandbreite des PCI-Busses 132 MB/s, womit sich in der Praxis eine kontinuierliche Durchsatzrate von 110 MB/s ergibt. Da alle PCI-Geräte Daten zum und vom Host-Controller über eine einzige Verbindung übertragen, wird die praktische Bandbreite von 110 MB/s auf allen Geräten erreicht. In einem PXI-System verfügen daher alle Module eines PXI-Chassis über die gleiche PCI-Busbandbreite. Da die Leistungsmerkmale PXI-basierter Messgeräte stetig ansteigen, entwickeln sich auch Anwendungen immer weiter, wodurch wiederum die Datenmengen zunehmen, die zwischen Modulen und Controller übertragen werden. In solchen Anwendungen würden die Durchsatzkapazitäten des PCI-Bussystems schnell an ihre Grenzen stoßen.

Bei PCI Express handelt es sich um eine Weiterentwicklung von PCI, die softwareseitig abwärtskompatibel ist, jedoch den parallelen Bus durch einen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus (2,5 Gbit/s) ersetzt. PCI Express sendet Daten über differenzielle Signalpaare, die Lanes genannt werden und eine Bandbreite von 250 MB/s pro Richtung und Lane bieten. Mehrere Lanes können zu Gruppen zusammengefasst werden und verfügen dann über Verbindungsbreiten von x1 („by 1“ bzw. „1 Lane“ ausgesprochen), x4, x8 und x16. Ein x16-Link der 1. Generation bietet eine Bandbreite von 4 GB/s in jede Richtung. Anders als bei PCI, wo sich alle am Bus angeschlossenen Geräte die Bandbreite teilen müssen, erhält jedes PCI-Express-Gerät eine dedizierte Bandbreite. Dadurch kann eine größere Anzahl von PXI-Modulen kontinuierlich Daten zum und vom Embedded-Controller übertragen.

Abbildung 3. Verbindungen werden über die Anzahl von Lanes in der Gruppe definiert und werden mit „by N“ gekennzeichnet, wobei N die Anzahl der Lanes wiedergibt.  Beispielsweise erreichen PCI-Express-Lanes der 1. Generation 250 MB/s, PCI-Express-Lanes der 2. Generation hingegen bereits 500 MB/s.

PXI-Express-Chassis können mit PXI- oder PXI-Express-Modulen bestückt und daher je nach Anwendung einfach modifiziert werden. Mit der Weiterentwicklung der Messtechnik machten auch die Bustechnologien Fortschritte; so wurden durch die Spezifikation PCI Express 2.0 (auch bekannt als PCI Express der 2. Generation) noch höhere Bandbreiten ermöglicht. Bei der Spezifikation PCI Express der 2. Generation ist die Datenübertragungsrate gegenüber der 1. Generation doppelt so hoch, was durch die Verdoppelung der Bitrate von 2,5 GT/s auf 5,0 GT/s erreicht wird. Die hardware- und softwareseitige Abwärtskompatibilität zu PCI Express der 1. Generation bleibt dabei durchgehend gewahrt. PXI Express profitiert durchweg von den Weiterentwicklungen bei PCI Express.

So nutzt beispielsweise der Embedded-Controller NI PXIe-8133 die Weiterentwicklungen von PCI Express 2.0, um vier x4-PCI-Express-Verbindungen der 2. Generation (Gen 2) als Schnittstelle zur Backplane des PXI-Chassis zur Verfügung zu stellen. Der Embedded-Controller PXIe-8133 ermöglicht eine Gesamtsystembandbreite von 6,4 GB/s und damit doppelt soviel wie ein Embedded-Controller der vorherigen Generation, der auf PCI-Express-Verbindungen der 1. Generation basierte.

Abbildung 4. Mit PCI Express der 2. Generation können Anwender auf einer größeren Anzahl von I/O-Kanälen Daten simultan übertragen und so auch größere und komplexere Anwendungen für die Datenaufzeichnung und -wiedergabe erstellen.

Der Embedded-Controller PXIe-8133 bindet eine x16-Verbindung der 2. Generation vom Prozessor an ein integriertes PCI-Express-Schaltmodul an. Dieses integrierte PCI-Express-Schaltmodul verfügt über vier x4-PCI-Express-Verbindungen zum Chassis PXIe-1075, wodurch eine Bandbreite von 6,4 GB/s zur Verfügung steht.  Basierend auf der neuesten Prozessortechnologie lässt sich der Speichercontroller des PXIe-8133 an zwei DDR3-RAM-Kanäle mit 1333 MHz anbinden und bietet einen Gesamtdurchsatz von 8 GB/s. Die PCI-Express-Technologie der 2. Generation sowie Speicherfunktionalität sorgt für eine höhere Gesamtsystembandbreite. Wird bei dieser Konfiguration der PXIe-8133 mit dem PXIe-1075 eingesetzt, kann die Bandbreite des Chassis vollständig genutzt werden, sodass eine Gesamtsystembandbreite von 6,4 GB/s zur Verfügung steht. Dank dieser Architektur können durch den gemeinsamen Einsatz von Chassis und Embedded-Controller die Bandbreiten des Chassis optimal genutzt werden, wobei mit den Fortschritten im Chassisdesign die Durchsatzrate noch weiter erhöht werden kann.

Einige Anwendungen mit hohem Durchsatz haben strenge Anforderungen an die Kommunikationslatenz und Datenbandbreite. Solche Anwendungen können von der neuesten Peer-to-Peer-Streamingtechnologie profitieren. Die Peer-to-Peer (P2P)-Streaming-Technologie von NI verwendet PCI Express, um direkte Punkt-zu-Punkt-Übertragungen zwischen mehreren Geräten zu ermöglichen, ohne Daten über den Host-Prozessor oder -Speicher zu senden. Dadurch sind Geräte in einem System in der Lage, Informationen auszutauschen, ohne andere Systemressourcen zu beanspruchen.

Abbildung 5. Bei der Peer-to-Peer-Technologie können Datenpakete den Speicher des Host-Controllers umgehen, sodass Daten direkt zwischen den Geräten auf deterministische Weise übertragen werden können.

Bei Anwendungen, die ein hohes Datenstreaming erfordern, ist es wichtig, die gesamte Datenübertragungsarchitektur zu betrachten, vom Modul über die Backplane bis hin zum Controller, damit die Einsatzmöglichkeiten der Plattform vollständig abgeschätzt werden können. Bei den früheren Streaming-Architekturen bieten die in den PXI-Express-basierten Embedded-Controller integrierten PCI-Express-Verbindungen ausreichend Bandbreite, um maximale Datenmengen vom Chassis zu übertragen.  Bei der Bewertung des Designs eines Alternativprodukts ist zu beachten, dass dieses die Gesamtsystembandbreite beeinträchtigen könnte.

Abbildung 6. Bei der Bewertung von Optionen für den Embedded-Controller und das Chassis sollte das Design der Systemarchitektur beachtet werden, um Engpässe im System zu minimieren.

In Abbildung 7 beispielsweise schmälert der PXI-Express-basierte Embedded-Controller eines anderen Anbieters die Bandbreite zwischen dem Chassis und dem Prozessor, da von der CPU zum integrierten PCI-Express-Schaltmodul eine x8-PCI-Express-Verbindung der 1. Generation verwendet wird. Obwohl der Rest des Systems bis zu 8 GB/s Streaming verarbeiten kann, begrenzt die Architektur für den Embedded-Controller die Gesamtbandbreite des Systems auf 2,0 GB/s.  Daher muss beim Entwerfen von Streaming-Systemen sichergestellt werden, dass die Systemkomponenten zusammenarbeiten können, um ihre individuellen Bandbreitenpegel zu erreichen.

Die neuesten Produkte von National Instruments für die PXI-Express-Plattform, das Chassis und der Embedded-Controller wurden unter Berücksichtigung von Anwendungen entwickelt, die diese hohen Durchsatzraten erfordern. Das Chassis PXIe-1085 nutzt die neueste PCI-Express-Technologie der 3. Generation und in Kombination mit dem PXIe-8880 den Intel Xeon 8-Core-Prozessor. Bei dem NI PXIe-1085 handelt es sich um ein vollständig mit Hybridsteckplätzen ausgestattetes Chassis, das sowohl mit PXI- als auch PXI-Express-Modulen bestückt werden kann. Es handelt sich um ein leistungsstarkes und flexibles Chassis, das für Mess- und Prüfanwendungen geeignet ist.

Abbildung 7. Durch die Weiterentwicklung der PC-Bustechnologie steigen auch die Bandbreitenkapazitäten der PXI-Express-Systeme an, sodass auch die Anforderungen neuester Prüfanwendungen erfüllt werden können.

Der Embedded-Controller PXIe-8880 verfügt über eine x16- und eine x8-PCIe-Verbindung der 3. Generation zum Chassis PXIe-1085, wodurch eine Bandbreite von 25,6 GB/s zur Verfügung steht.  Basierend auf der neuesten Prozessortechnologie lässt sich der Speicher-Controller des PXIe-8880 an drei DDR4-RAM-Kanäle mit 1866 MHz anbinden und bietet einen Gesamtdurchsatz von 30 GB/s. Die PCI-Express-Technologie der 3. Generation sowie die Speicherfunktionalität sorgen für eine Verdoppelung der Gesamtsystembandbreite im Vergleich zu früheren NI-Konfigurationen und für eine Verdreifachung gegenüber Alternativprodukten anderer Anbieter. Die gemeinsame Nutzung dieser PXI-Express-Plattformprodukte ermöglicht, dass eine größere Anzahl leistungsstarker Messgeräte mit maximaler Streaminggeschwindigkeit in einem einzelnen Chassis kombiniert werden können.

Die Streamingleistung für eine Anwendung ist von verschiedenen Faktoren im System abhängig. Um den Durchsatz für das Gesamtsystem zu maximieren, ist ein Evaluieren jeder Verbindung in einer Streaming-Architektur wichtig. Durch Einsatz der neuesten PXI-Express-Technologien kann die Systembandbreite bis zu 25,6 GB/s betragen. Diese Bandbreitenkapazitäten ermöglichen in Kombination mit dem flexiblen Chassis, das mit verschiedenen PXI- und PXI-Express-Modulen bestückt werden kann, eine breite Palette an Anwendungen sowie eine langfristige Skalierbarkeit.

Nächste Schritte:

• Weitere Informationen zum PXIe-1085 Komplett-Hybrid-PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen sowie zu weiteren Optionen
• Weitere Informationen zum 8-Core-PXI-Controller PXIe-8880 sowie zu weiteren Optionen