Arquitectura de Transferencia de Datos de la Plataforma PXI Express con el Más Alto Rendimiento de la Industria

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Información General

Muchas aplicaciones como grabación y reproducción de RF, validación de dispositivos electrónicos y adquisición de datos de gran cantidad de canales, generan enormes cantidades de datos. Tradicionalmente, los instrumentos de laboratorio como osciloscopios, analizadores lógicos y generadores de forma de onda arbitraria han implementado transferencia de datos limitada. Conforme los instrumentos evolucionan, suelen tener velocidades de muestreo increíblemente rápidas y altos anchos de banda de señal, pero el bus que conecta el instrumento con la PC para regresar datos al usuario para procesamiento y almacenamiento, generalmente es el cuello de botella.  Las habilidades de rendimiento de este bus de comunicación de datos pueden impactar el acceso al ancho de banda del instrumento y por consiguiente afectar los tiempos de prueba y medida.

Mientras el hardware de medida basado en PC continúa adoptando cada vez más buses de datos con mayor rendimiento, no sólo puede resolver las necesidades de las aplicaciones existentes de manera más eficiente, sino también las demandas de las nuevas aplicaciones que antes no se podían abordar.  La evolución del bus PCI Express/PXI Express permite transferencias de datos aún más rápidas. Implementar la transferencia desde el instrumento, a través del controlador y hacia el disco duro, incrementa la memoria disponible del instrumento de megabytes hasta terabytes.  Al utilizar arquitecturas de bus PXI Express de alto ancho de banda, los datos pueden ser transferidos desde y hacia el disco duro a una velocidad lo suficientemente alta para soportar instrumentación de punta.  Actualmente, con velocidades de lectura/escritura más rápidas y mayor capacidad de almacenamiento, la transferencia de datos permite mayores velocidades de muestreo que nunca antes y por periodos de pruebas más prolongados.

Arquitectura Típica de Transferencia

El objetivo clave de una arquitectura típica de transferencia es enviar datos desde y hacia un instrumento lo suficientemente rápido para mantener una generación o adquisición continua. Al realizar una tarea de generación, la PC recupera datos de la memoria y los pasa a través del bus de comunicación al instrumento. El instrumento entonces genera una señal física a partir de los datos. La tarea de adquisición funciona en dirección opuesta, al tomar los datos producidos por el instrumento y transmitirlos a través del bus hacia la PC para colocarlos en la memoria. Dependiendo de la tecnología elegida para los componentes básicos e interfaces de bus, varios elementos pueden introducir cuellos de botella en el sistema, reduciendo su razón de transferencia efectiva.


Figura 1. Evalúe cada componente del sistema para maximizar las capacidades de transferencia y cumplir con las necesidades de la aplicación, tales como almacenar y reproducir datos de RF grabados.    

Avances en las Arquitecturas de Transferencia

El estándar PXI-1 utiliza el bus de Interconexión de Componentes Periféricos (PCI) como un medio para intercambiar datos desde los módulos PXI en el chasis al controlador PXI. PCI es un bus paralelo que en su implementación más común tiene 32 bits de ancho con una frecuencia de 33 MHz. Los datos que son adquiridos por un módulo PXI son transferidos desde la memoria interna del dispositivo sobre el bus PCI, a través del controlador de E/S, cruzando el bus interno y hacia la memoria del sistema (RAM). Entonces pueden ser transferidos desde la memoria del sistema, a través del bus interno, a uno o varios discos duros. Los datos generados por un módulo PXI siguen una trayectoria opuesta.


Figura 2. Arquitectura de transferencia de datos de un sistema basado en PC, implementada entre el controlador embebido PXI y chasis.

De acuerdo a las especificaciones, el ancho de banda máximo teórico del bus PCI es 132 MB/s, el cual se traduce a 100 MBytes/s de rendimiento práctico sostenible. Ya que existe un solo enlace para todos los dispositivos PCI para transferir datos desde y hacia el controlador principal, los 110 MB/s de ancho de banda práctico serían compartidos entre todos los dispositivos. Por lo tanto, en un sistema PXI, todos los módulos en un el chasis PXI comparten el ancho de banda del bus PCI. Conforme incrementan las capacidades de rendimiento de la instrumentación PXI, las aplicaciones evolucionan y aumenta la cantidad de datos a transmitirse entre los módulos y el controlador. En estas aplicaciones las capacidades de rendimiento del bus PCI podrían superarse rápidamente.

PCI Express, una evolución del bus PCI, mantiene la compatibilidad del software con PCI pero reemplaza el bus paralelo con un bus serial de alta velocidad (2.5 Gbits/s). PCI Express envía datos a través de pares de señales diferenciales llamadas líneas, las cuales ofrecen 250 MBytes/s de ancho de banda por dirección por línea. Se pueden agrupar múltiples líneas para formar enlaces con anchos de enlace típicos de x1 (entendido como “por uno”), x4, x8 y x16. Un enlace x16 Gen1 ofrece ancho de banda de 4 GBytes/s por dirección. Adicionalmente, a diferencia de PCI, en el cual se comparte ancho de banda entre todos los dispositivos, cada dispositivo PCI Express recibe ancho de banda dedicado. Esto permite que más módulos PXI puedan transferir datos continuamente al y desde el controlador embebido.


Figura 3. Los enlaces son definidos por el número de líneas en el grupo y son anotadas "por N", donde N es el número de líneas.  Por ejemplo, las líneas PCI Express Gen1 soportan 250 MB/s comparado con las líneas PCI Express Gen2 que soportan 500 MB/s.

Los chasis PXI Express son capaces de alojar módulos PXI o PXI Express y por lo tanto pueden adaptarse fácilmente dependiendo de la aplicación. Sin embargo, a medida que la instrumentación continúa avanzando en capacidades, la tecnología del bus continúa evolucionando para proporcionar aún más capacidades de ancho de banda con la introducción de la especificación PCI Express 2.0 (también conocida como PCI Express Gen2). La especificación PCI Express Gen2 duplica la razón de transferencia de datos del Gen1 al duplicar la razón de bits del bus de 2.5 GT/s a 5.0 GT/s, manteniendo completa compatibilidad de hardware y software con PCI Express Gen1. PXI Express continuamente aprovecha los últimos avances de PCI Express.

Por ejemplo, el controlador embebido PXIe-8133 usa los avances PCI Express 2.0 para ofrecer cuatro enlaces x4 Gen 2 PCI Express para conectar al plano trasero del chasis PXI. El controlador embebido PXIe-8133 ofrece hasta 6.4 GB/s de ancho de banda total del sistema, que es el doble que el controlador embebido de la generación anterior que estaba basado en enlaces PCI Express Gen1.


Figura 4. Al aprovechar el PCI Express Gen2, las aplicaciones pueden transferir simultáneamente un mayor número de canales de E/S, brindando la habilidad de crear aplicaciones más grandes y más complejas de grabación y reproducción de datos.

El controlador embebido PXIe-8133 conecta un enlace x16 Gen2 desde el procesador a un interruptor PCIe interno. Desde el interruptor PCIe interno que ofrece cuatro enlaces x4 PCIe al chasis PXIe-1075 que ofrece 6.4 GB/s de ancho de banda.  Al aprovechar la última tecnología de procesador, el controlador de memoria en el PXIe-8133 se conecta a dos canales de DRAM DDR3 de 1333 MHz y proporciona un rendimiento total de memoria de 8 GB/s. Al hacer posible la tecnología PCIe Gen2 y las capacidades de memoria, se incrementa el ancho de banda total del sistema. Con esta configuración, combinando el PXIe-8133 con el chasis PXIe-1075 se usa plenamente el ancho de banda del chasis y el ancho de banda total del sistema es de 6.4 GB/s. Con esta arquitectura, la combinación del chasis y el controlador embebido ahora coincide con las capacidades de ancho de banda apropiadas para el chasis y puede permitir aún más rendimiento de datos a medida que los diseños del chasis evolucionan.

Arquitecturas de Transferencia "Peer-to-Peer"

Algunas aplicaciones de alto rendimiento tienen estrictos requerimientos para capacidades de ancho de banda de datos y latencia de comunicación. Para estos tipos de aplicaciones, pueden aprovechar la última tecnología de transferencia "peer-to-peer". La tecnología de transferencia "peer-to-peer"(P2P) utiliza PCI Express para permitir transferencias directas punto a punto entre múltiples instrumentos sin enviar datos a través del procesador o de la memoria. Esto permite que los dispositivos en un sistema compartan información sin agotar otros recursos del sistema.


Figura 5. Con tecnología "peer-to-peer", los paquetes de datos son capaces de eludir la memoria del controlador principal para tener la habilidad de transferir datos directamente entre dispositivos de manera determinística.

Optimizar la Arquitectura de Transferencia

En términos generales, para aplicaciones que requieren transferencia de datos de alta velocidad, es importante ver la arquitectura de transferencia de datos como un todo, desde el módulo hacia el plano trasero, hasta el controlador para tener un entendimiento completo de la capacidad de la plataforma. En las opciones anteriores de arquitecturas de transferencia, los enlaces PCI Express diseñados dentro del controlador embebido PXI Express soportan suficiente ancho de banda para una máxima transferencia de datos del chasis.  Al evaluar un diseño de un proveedor alternativo, las selecciones hechas por el proveedor pueden limitar las capacidades generales de ancho de banda del sistema.


Figura 6. Al evaluar las opciones para un chasis y controlador embebido, evalúe las diferentes opciones de diseño de arquitectura para minimizar los cuellos de botella del sistema.

Por ejemplo, en la Figura 7, el controlador embebido PXI Express de otro proveedor restringe la cantidad de ancho de banda entre el chasis y el procesador debido al uso de un enlace PCI Express x8 Gen1 desde el CPU al interruptor PCIe interno. Aunque el resto del sistema podría soportar hasta 8 GB/s de escritura, la selección de arquitectura para el controlador embebido limita el ancho de banda total del sistema a 2.0 GB/s.  Así que, al diseñar sistemas de transferencia, asegúrese que los componentes del sistema puedan funcionar juntos para alcanzar sus niveles de ancho de banda máximos según especificación.

En comparación, los últimos productos de la plataforma PXI Express de National Instruments, el chasis y el controlador embebido han sido optimizados pensando en estos casos de uso de alto rendimiento. El chasis PXIe-1085 aprovecha la última tecnología PCI Express Gen3 y al ser combinado con el PXIe-8880 aprovecha el procesador Intel Xeon 8-core. El PXIe-1085 cuenta con capacidades híbridas en cada una de las ranuras para adaptarse a una combinación de módulos PXI o PXI Express. En general este chasis ofrece capacidades de alto rendimiento junto con la flexibilidad necesaria para aplicaciones de pruebas y medidas.


Figura 7. A través de los avances de la tecnología del bus de PC, los sistemas PXI Express evolucionan continuamente sus capacidades de ancho de banda de datos para cumplir con las últimas necesidades de las aplicaciones de pruebas.

El controlador embebido PXIe-8880 tiene un enlace x16 y uno x8 PCIe Gen 3 al chasis PXIe-1085 ofreciendo 25.6 GB/s de ancho de banda.  Al aprovechar la última tecnología de procesador, el controlador de memoria en el PXIe-8880 se conecta a tres canales de DRAM DDR4 de 1866 MHz y proporciona un rendimiento total de memoria de 30 GB/s. Al hacer posible la tecnología PCIe Gen 3 y las capacidades de memoria, el ancho de banda del sistema se duplica comparado con las configuraciones de la generación anterior de NI y es tres veces más alto que los productos de otros proveedores. La combinación de estos productos de la plataforma PXI Express permite mayores transferencias en la instrumentación de alto rendimiento a su máxima velocidad para ser combinado en un solo chasis.

Conclusión

El rendimiento de la transferencia para una aplicación está basado en varios factores del sistema. Es importante evaluar cada conexión en una arquitectura de transferencia para maximizar el rendimiento general del sistema. Al usar lo último en tecnologías PXI Express, el ancho de banda del sistema puede soportar hasta 25.6 GB/s. Estas capacidades de ancho de banda combinadas con la flexibilidad del chasis para aceptar una variedad de módulos PXI o PXI Express pueden permitir una extensa variedad de aplicaciones y una instrumentación escalable.

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