PXI​アーキテクチャ​の​基本

内容

概要

PXIシステム​は、​高性能​モジュール​式​計測​器​と​その他​の​I/​O​モジュールから構成され、​デバイス検証から​自動製造テスト​に​いたる​まで、​さまざま​な​テスト/​計測​アプリケーション​に​特​化​した​同期​機能​や​重要​な​ソフトウェア​機能​を​備え​てい​ます。  PXI​について​理解​する​ため​に、​まずは​図​1​に​示す​2​つ​の​画像​を​ご覧​くだ​さい。​PXI​システム​を​構成​する​シャー​シ、​コントローラ、​PXI (e) 周辺​モジュール​と、​一般​的​な​デスク​トップ​PC​の​コンポーネント​を​比較​した​もの​です。​ここ​で​重要​な​の​は、​PXI​と​一般​的​な​PC​技術​と​の​関連/​対応​を​理解​する​こと​です。

 

PXIシステム

一般的デスクトップPC

図​1. PXI​システム​と​一般​的​な​デスク​トップ​PC​の​比較

 

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) は、​測定システムやオートメーションシステム向けに確立された​PC​ベース​の​プラットフォーム​です。​1​つ​の​筐​体​によって、​電源、​冷却​部、​通信​バス​の​ほか、​複数​の​計測​用​モジュール​を​サポート​し​ます。​PXI​は、​一般​的​な​PC​向け​の​PCI​バス​技術​を​ベース​と​し、​堅牢​な​CompactPCI​モジュール​パッケージ​と​主要​な​タイミング/​同期​機能​を​追加​した​もの​です。

PCI-​SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) は、​PCI​を発展させた​PCI Express (PCIe) 規格​を​策定​し、​システム​の​帯域​幅​を​大幅​に​向上​さ​せ​ま​した。​一方、​PXI​の​管理​団体​で​ある​PXISA (PXI Systems Alliance) は、​最新​世代​の​一般​的​な​PC​バス​技術​を​採用​する​こと​で、​PXI​を​PXI Express​へ​と​発展​さ​せ​ま​した。​PXI Express​は、​PXI​に対する​下位​互換性​を​確保​し​ながら、​より​広い​帯域​幅、​電源、​冷却​機能、​タイミング/​同期​機能​を​提供​し​ます。

PXI​と​PXI Express​は​いずれ​も​多く​の​機能​を​備え​て​いる​ので、​一見​すると​複雑​な​もの​に​見える​かも​し​れ​ま​せん。​しかし、​両​技術​の​中核​と​な​って​いる​の​は​PC​向け​の​もの​として​主流​に​な​って​いる​通信​バス​です。​PXI/​PXI Express​シャー​シ​の​アーキテクチャ​は、​現在、​測定​システム​や​オートメーション​システム​に​よく​使​われ​て​おり、​技術​者​にとって​は​なじみ​深い​もの​と​な​って​い​ます。

PXI​は、​PXISA​が​管理​する​オープン​な​規格​です。​そのため、​どの​ベンダー​でも​PXI​を​ベース​と​した​製品​を​開発​する​こと​が​でき​ます。​PXI​システム​について​詳細​に​説明​する​ため​に、​本稿​では、​PXISA​が​定め​た​仕様​と​PXI​を​ベース​と​する​NI​の​ハードウェア​の​実現​方法​に​焦点​を​絞る​ことに​し​ます。

ハードウェア​の​概要

PXISA​が​策定​したハードウェア​仕様では、​機械​的​アーキテクチャ、​電気​的​アーキテクチャ、​ソフトウェア​アーキテクチャ​に​関連​する​すべて​の​要件​を​規定​し​てい​ます。​PXI Express​の​仕様​は、​CompactPCI、​CompactPCI Express​の​各​仕様​を​包含​し​てい​ます。​図​2​は、​CompactPCI、​CompactPCI Express​の​両​仕様​と​PXI​の​主要​な​機能​を、​機械​的/​電気​的​に​どの​よう​に​統合​し​て​全体​の​アーキテクチャ​を​構成​し​て​いる​の​か​を​表​し​てい​ます。​本稿​では​後ほど、​これらの​階層​を​細か​く​分け​て、​具体​的​に​各部​が​どの​よう​にし​て​PXI​に​適用​さ​れ​て​いる​の​か​を​説明​し​ます。

PXIの全体的なアーキテクチャ

図​2. PXI​の​全体​的​な​アーキテクチャ

 

機械​的​アーキテクチャ

機械​的​アーキテクチャでは、​CompactPCI、​CompactPCI Express、​PXI、​PXI Express​の​間​で​の​物理​的​な​互換性​について​定め​てい​ます。​例えば、​PXI​シャー​シ​の​いちばん​左​の​スロット​に​は​システム​コントローラ​を​取り付ける​こと​が​定め​ら​れ​て​おり、​それ​が​PCI​バス​の​セグメント​の​左端​に​なる​こと​が​保証​さ​れ​てい​ます。​この​よう​な​規定​によって​構造​が​簡素​化​さ​れ​ます。​また、​このように​位置​を​決める​こと​で​シャー​シ​と​コントローラ​の​オプション​の​間​で​互換性​が​高まり​ます。

PXI​ベース​の​システム​では、​外部​の​PC​または​組​込​コントローラ​を​コントローラ​として​使用​でき​ます。​組​込​コントローラ​は、​高い​集積​度​の​CPU、​ハードディスク​ドライブ、​メモリ、​Ethernet、​ビデオ​インタフェース、​シリアル​インタフェース、​USB、​その他​の​I/​O​周辺​機器​といった​標準​的​な​機能​を​備え​てい​ます。​アプリケーション​の​開発​は、​外部​の​PC​の​場合​と​同様​に、​標準​的​な​OS​で​ある​Windows​環境​で​行う​こと​が​でき​ます。

図​3. 組​込​コントローラ​は、​スタンドアロン​型​の​計測​器​や​周辺​機器​と​の​インタフェース​用​に​さまざま​な​I/​O​端子​を​備え​て​いる。

PXI​の​仕様​は、​高性能​な​IEC​コネ​クタ​と、​CompactPCI​や​CompactPCI Express​で​使用​さ​れ​て​いる​堅牢​な​Eurocard​パッケージ​システム​を​採用​し​てい​ます。

図​4.NI PXI-8430​は、​Eurocard​規格​に​即​した​パッケージ​と​高性能​な​IEC​コネ​クタ​を​備え​て​いる。

この​コネ​クタ​を​介​し​て、​計測​器​は​バック​プレー​ン​の​バス​を​介​し​て​システム​の​他の​部分、​たとえば​PCI​および​PCI Express​バス​と​接続​および​通信​し​ます。​これらの​コネ​クタ​構成​は、​仕様​が​最新​の​通信​バス​を​含む​よう​進化​し​て​も、​下位​互換性​を​維持​し​ます。​詳細​について​は、​「電気​的​アーキテクチャ」​の​節​で​説明​し​ます。

図​5.仕様​では、​PXI​シャー​シ​と​の​通信​に​使用​する​コネ​クタ​について​規定​さ​れ​て​いる。

PXI​の​機械​的​仕様​に​は、​工業​環境​で​確実​に​フル​稼働​できる​よう​に、​CompactPCI/​CompactPCI Express​より​も​優​れ​た​冷却​機能​と​環境​機能​が​盛り​込​まれ​てい​ます。

PXIの機械的仕様ではPXIシャーシの冷却部について定めている

図​6.PXI​の​機械​的​仕様​では​PXI​シャー​シ​の​冷却​部​について​定めて​いる。

電気​的​アーキテクチャ

電気​的​アーキテクチャ​は、​PCI、​PCI Express、​CompactPCI、​CompactPCI Express​の​各​仕様​と​電源​の​要件​に​基​づ​い​て​規定​さ​れ​てい​ます。​また、​高い​性能​が​求め​られる​テスト/​計測​で​PXI​プラットフォーム​を​使用​できる​よう​に、​タイミング/​同期​機能​が​加​え​ら​れ​てい​ます。

PXI​シャー​シ​の​主要​な​電気​的​機能​は​通信​バス​です。​PCI​が​PCI Express​に​進化​する​につれて​仕様​も​進化​し、​PCI Express​を​PXI​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​に​統合​する​こと​で、​PXI​が​さらに​多く​の​アプリケーション​ニーズ​を​満たす​こと​が​できる​よう​に​なり​ま​した。

PXI​は、​従来​型​の​計測​器​でも​利用​できる​よう、​PCI​通信 (一般​的​に​使用​さ​れ​て​いる​32​ビット​幅​の​バス​による​パラレル​データ​の​送受信​技術) に​も​対応​し​てい​ます。​PCI​機器​の​最大​帯域​幅​または​スループット​は​132 MB/​秒​です。​アプリケーション​は​より​高い​帯域​幅​を​必要​と​する​ため、​PCI Express​では​レーン​と​呼ばれる​送信​接続​と​受信​接続​の​ペア​を​介​し​て​データ​を​シリアル​に​送信​する​よう​定義​さ​れ​ま​した。​これ​により、​データ​は​方向​ごと​に​250 MB/​秒​で​転送​でき​ます。​この​シリアル​接続​は​「PCI Express Gen1 ×1​の​リンク」​として​知​ら​れ​てい​ます。​帯域​幅​を​増やす​に​は、​複数​の​レーン​を​グループ​化​し、​×2、​×4、​×8、​×16、​×32​の​リンク​を​構成​し​ます。​これらの​リンク​によって、​コントローラ​と​計測​器​の​スロット​を​接続​し​ます。​例えば、​×16​の​スロット​で​あれ​ば、​4 GB/​秒 (250 MB/​秒​×16) で​データ​の​送受信​が​可能​です。​PXI​を​ベース​と​する​従来​型​の​計測​器​と​PXI Express​を​ベース​と​する​新型​の​計測​器​の​互換性​を​確保​に​する​ため​に、​PXI​シャー​シ​は​PCI​と​PCI Express​の​両方​に​対応​し​てい​ます。​PCI Express​の​仕様​が​次世代​に​進化​し​てい​く​の​に​伴​い、​PXI​も​下位​互換性​を​維持​し​ながら、​新た​な​機能​を​PXI​シャー​シ​に​搭載​し​てい​く​ことに​なり​ます。

図​7.PXI​シャー​シ​の​例​として​NI PXIe-1085​を​取り上げ​た。​PCI/​PCI Express​ライン​の​各​スロット​へ​の​ルーティング​は、​各​スロット​に​取り付ける​モジュール​の​種類​によって​異なる。

最新​の​PC​技術​に​対応​する​ため​に​シャー​シ​の​通信​バス​が​変更​さ​れ​た​こと​を​受け、​PXI​周辺​モジュール​について​も​PCI Express​の​通信​バス​機能​を​利用​できる​よう​PXI​から​PXI Express​へ​と​進化​しま​した。​PXI​の​仕様​では、​旧来​の​PXI​モジュール​と​PXI Express​モジュール​の​間​の​互換性​を​確保​する​ため​に、​ハイブリッド​スロット​が​追加​さ​れ​ま​した。​この​スロット​によって、​PXI​周辺​モジュール​に​加​え、​PXI Express​周辺​モジュール​も​PXI​シャー​シ​に​取り付ける​こと​が​できる​よう​に​なり​ま​した。​PXI​シャー​シ​に​は​以下​の​スロット​が​あり​ます。

  • 組​込/​リモート​PXI Express​コントローラ​用​の​システム​スロット
  • PXI​モジュール​用​の​PXI​周辺​スロット
  • PXI Express​周辺​モジュール、​32​ビット​CompactPCI​周辺​モジュール、​ハイブリッド​互換​PXI​周辺​モジュール​用​の​PXI Express​ハイブリッド​周辺​スロット
  • PXI Express​周辺​モジュール​と​PXI Express​システム​タイミング​モジュール​の​両方​に​対応​する​システム​タイミング​スロット

PXIシャーシのスロットの種類

図​8.PXI​シャー​シ​の​スロット​の​種類

PXI​仕様​では、​PXI​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​を​介​し​て、​あらゆる​種類​の​モジュール​を​利用​できる​よう​に​する​技術​を​規定​し​てい​ます。

図​9.PXI​シャー​シ​は​最新​の​通信​バス​に​対応​する。​通信​バス​は、​周辺​モジュール​の​要件​に​応​じ​て、​さまざま​な​スロット​の​オプション​に対して​ルーティング​さ​れる。

電気​的​仕様​では、​通信​バス​の​ほかに、​タイミング​や​同期​の​機能​について​も​規定​し​てい​ます。​その​なかには、​システム​内​の​すべて​の​周辺​モジュール​に​分配​さ​れる​10 MHz​の​PXI​システム​クロック​について​の​規定​も​含​まれ​てい​ます。​この​共通​の​基準​クロック​は、​測定/​制御​システム​において​複数​の​モジュール​の​間​で​同期​を​とる​ため​に​使用​でき​ます。​また​クロック​の​ほかに​も、​マルチ​ドロップ​トリガ​バス​や、​配線​長​を​整合​さ​せ​た​スタート​リガ​ネットワーク​など​の​PXI​の​トリガ​機能​について​も​規定​さ​れ​てい​ます。​8​本​の​PXI​トリガ​ライン​により​PXI​トリガバスが構成され、​これ​により​柔軟性​が​向上​し、​さまざま​な​方法​で​使用​する​こと​が​でき​ます。​たとえば、​複数​の​PXI​周辺​モジュール​が​動作​する​際、​それらの​同期​を​とる​ため​に​トリガ​を​使用​する​こと​が​でき​ます。

図​10.NI PXIe-1085​シャー​シ​における​PXI​トリガ​バス​の​接続​図。​PXI​周辺​モジュール​へ​の​トリガ​の​転送​方法​を​表​し​て​いる。

電気​的​仕様​では、​高い​性能​が​要求​さ​れる​アプリケーション​に​向け​て、​PXI​システム​に​高性能​の​同期​機能​を​加える​PXI​スタート​リガ​ネットワーク​について​規定​し​てい​ます。​スタート​リガ​ネットワーク​は、​システム​タイミング​スロット (PXI​の​スロット​番号​は​ひし形、​PXI Express​の​スロット​は​四角​で​囲​んで​表示) と​ほか​の​周辺​スロット​と​の​間​の​専用​トリガ​ライン​で​実現​し​ます。​スタート​リガ​コントローラ​で​ある​タイミング/​同期​モジュール​を​システム​タイミング​スロット​に​取り付け、​ほか​の​周辺​モジュール​に​高​精度​の​クロック​と​トリガ​信号​を​分配​し​ます。​タイミング/​同期​モジュール​は、​PXI​シャー​シ​が​搭載​する​VCXO​より​精度​の​高い​オン​ボード​の​TCXO/​OCXO、​専用​DDS、​外​付け​の​ルビジウム​発振器​を​搭載​し​て​おり、​PXI​シャー​シ​向け​の​周波数​の​高い​システム​基準​クロック、​10 MHz/​100 MHz​の​クロック​を​定義​する​こと​が​でき​ます。

図​11.NI PXIe-1085​では、​スター​接続​図​を​使用​する​こと​によって​各​スロット​の​伝搬​遅延​を​整合​さ​せ​て​いる。

図​12​は、​PXI​トリガ​バス​と​PXI​スタート​リガ​ネットワーク​の​スロット​間​の​ルーティング​を​表​し​てい​ます。​SYNC 100​は​すべて​の​機能​の​互換性​を​確保​する​ため​に​導入​した​もの​で、​シャー​シ​内​の​10 MHz​の​クロック​と​100 MHz​クロック​の​同期​を​とり​ます。

図​12.アプリケーション​の​ニーズ​に​応​じ​て、​タイミング/​同期​機能​の​最適​な​構成​を​選択​できる。

 

ソフトウェア​の​概要

PXI​の​ソフトウェア​仕様​では、​PXI​プラットフォーム​の​重要​な​要素​で​ある​ソフトウェア​アーキテクチャ​について​規定​し​てい​ます。​PXI​は、​ソフトウェア​による​定義​に​基づく​計測​手法​を​ベース​として​い​ます。​そのため、​ハードウェア​上​に​は、​ユーザ​が​アプリケーション​操作​を​行う​ため​の​ディスプレイ、​つまみ、​押し​ボタン​といった​機能​は​ありま​せん。​ユーザ​は​ソフトウェア​から​のみ、​そうした​制御​を​行う​こと​が​でき​ます。​ソフトウェア​フレーム​ワーク​は、​システム​コントローラ​モジュール​と​PXI​周辺​モジュール​の​両方​を​対象​として​PXI​システム​の​ソフトウェア​要件​を​規定​し​てい​ます。​システム​コントローラ​モジュール​と​PXI​周辺​モジュール​は、​PXI​ソフトウェア​フレーム​ワーク​に​対応​する​OS​や​ツール​向け​に​特定​の​要件​を​満たす​必要​が​あり​ます。

PXIソフトウェアアーキテクチャ

図​13.PXI​ソフトウェア​アーキテクチャ

PXI​の​仕様​は、​Microsoft Windows OS​を​ベース​と​する​PXI​システム​向け​に​ソフトウェア​フレーム​ワーク​を​提供​し​ます。​そのため、​コントローラ​では、​NI LabVIEW、​NI Measurement Studio、​Visual Basic、​Visual C/​C​+​+、Pythonなど、​業界​標準​の​API (アプリケーション​プログラミング​インタフェース) を​使用​でき​ます。​また​PXI​では、​モジュール​や​シャー​シ​の​ベンダー​から​入手​できる​特定​の​ソフトウェア​コンポーネント​が​必要​に​なり​ます。​PXI​コンポーネント​に対して​は、​システム​構成​および​システム​機能​を​定義​する​初期​化​ファイル​が​必要​です。​PXI​では、​VXI (VME eXtensions for Instrumentation)、​GPIB、​シリアル​インタフェース、​PXI​ベース​の​計測​器​の​構成​と​制御​の​ため​に、​最終​的​に​は​計測​分野​で​広​く​採用​さ​れ​て​いる​VISA (Virtual Instrument Software Architecture) に​対応​する​こと​が​規定​さ​れ​てい​ます。

ソフトウェアの役割から見たPXIアーキテクチャの全体像

図​14.ソフトウェア​の​役割​から​見​た​PXI​アーキテクチャ​の​全体​像。

 

実例: PXI​システム​内部​における​通信

PXI​システム​の​簡単​な​使用​例​を​考え​て​み​ま​しょう。​NI PXIe-5451​など​の​PXI​モジュール​を​使用​し​て​信号​を​生成​し​ます。​Windows​ベース​の​コントローラ​を​使用​し、​LabVIEW​ソフトウェア​を​使用​し​て​プログラム​を​作成​し​ます。​LabVIEW​は、​計測​ドライバ​を​介​し​て​計測​器​と​通信​を​行う​こと​が​でき​ます。​さらに、​Measurement​&​Automation Explorer (MAX) を使用すれば、​システム​の​通信​に関する​設定​を​確認​する​こと​が​可能​です。

 

ハードウェア設定とソフトウェア環境の例

図​15.ハードウェア​設定​と​ソフトウェア​環境​の例

 

通信​を​開始​する​に​は、​LabVIEW​で​記述​した​プログラム​を​実行​し​ます。​LabVIEW​ベース​の​プログラム​では、​バック​グランド​で​一連​の​命令​が​実行​さ​れ​ます。​通信​は、​以下​の​よう​な​手順​で​実行​さ​れ​ます。

 

ステップ​1: PXI​システム​コントローラ​上​で​LabVIEW​を​実行​する

アプリケーション用のコードはコンパイルされ、​マシン​レベル​の​コード​に​変換​さ​れ​ます。

 

ステップ​2: PXI​システム​コントローラ​は、​LabVIEW​で​記述​さ​れ​た​一連​の​コマンド​を​PXI​周辺​スロット​に​取り付け​ら​れ​た​計測​器​に​送信​する

PXI​システム​コントローラ​の​メモリ​と​プロセッサ​内​で、​マシンレベルのコードが電気信号に変換され、​PCI​または​PCI Express​通信​バス​に​沿​って​渡​さ​れ​ます。​この​例​では、​システム​コントローラ​を​周辺​機器​に​接続​する​PXI​シャー​シ​バック​プレー​ン​に​沿​って​実行​さ​れる​の​は​PCI Express​通信​です。

 

ステップ​3: シャー​シ​の​バック​プレー​ン​上の​通信​バス​を​介​し​て​コマンド​が​送​られる

各​信号​は、​PCI Express​の​通信​バス​を​介​し​て、​計測器が取り付けられた​PXI​スロット​に​送​ら​れ​ます。

 

ステップ​4: 計測​器​に​コード​が​転送​さ​れる

各​PXI​モジュール​は、​送信​さ​れ​て​きた​コマンド​を​読み込み​ます。​この​例​では、​NI PXIe-5451​が​信号​を​生成​し​ます。​計測​器​は​モジュール​上の​回路​を​使用​し​て​信号​を​読み込み、​要求​さ​れ​た​動作​を​実行​し​て​から​信号​を​生成​し​て、​モジュール​前面​の​コネ​クタ​に​転送​し​ます。

 

図​16​は、​コントローラ​から、​対象​と​なる​スロット​に​信号​が​送​られる​様子​を​表​し​てい​ます。

バックプレーンを介した信号の転送例

図​16.バック​プレー​ン​を​介​した​信号​の​転送例