PXI 아키텍처 소개

PXI 시스템은 디바이스 검증부터 자동 양산 테스트까지 포함하는 다양한 테스트 및 측정 어플리케이션을 위해 특수 동기화와 주요 소프트웨어 기능을 갖춘 고성능 모듈형 계측기 및 기타 I/O 모듈을 제공합니다.  PXI에 대한 개괄적 이해를 위해, PXI 시스템의 섀시, 컨트롤러, PXI(e) 주변 모듈을 상용 데스크탑 PC의 구성요소와 비교하는 그림 1의 두 개 이미지를 참조하십시오. 핵심은 PXI가 어떻게 상용 PC 기술을 기반으로 구축되고 이에 따라 조정되는지 그 방식을 이해하는 것입니다.

• PXI 섀시는 데스크탑 케이스와 비교 가능
• PXI 컨트롤러는 데스크탑의 CPU, 메모리 및 I/O와 비교 가능
• PXI(e) 주변 모듈은 데스크탑의 PCI(e) 주변 모듈과 비교 가능

그림 1. PXI 시스템과 데스크탑 PC의 비교

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)는 측정 및 자동화 시스템을 위해 사용할 수 있도록 그 기능이 충분히 입증된 PC 기반 플랫폼입니다. 이는 전원, 냉각 및 통신 버스를 제공하여 동일한 케이스 내에서 여러 계측 모듈을 지원합니다. PXI는 상용 PC 기반 PCI 버스 기술을 사용하면서 견고한 CompactPCI 모듈형 패키징과 주요 타이밍 및 동기화 기능을 결합합니다.

PCI-SIG(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)는 PCI Express 표준을 통해 PCI의 새로운 발전을 널리 알리면서 시스템 대역폭을 크게 향상시켰습니다. PXI를 관리하는 PXISA(PXI Systems Alliance)는 최신 상용 PC 버스 기술을 채택하여 PXI를 PXI Express로 발전시켰습니다. PXI Express는 이전 버전과의 호환성을 보장하는 PXI 기능을 유지하면서 동시에 표준 PXI 기능 외에 더 많은 대역폭, 전력, 냉각, 타이밍 및 동기화 기능을 제공합니다.

PXI와 PXI Express는 기능이 너무 많아 복잡해 보일 수 있지만, 이러한 기술에는 공통된 핵심이 있습니다. 바로 일반 PC 통신 버스입니다. PXI 및 PXI Express 섀시는 오늘날 엔지니어가 측정 및 자동화 시스템에 사용할 수 있도록 잘 알려진 친숙한 아키텍처를 제공합니다.

PXI는 PXISA에 의해 관리되는 개방형 스펙이기 때문에 어떤 제조업체든 PXI 제품을 만들 수 있습니다. PXI 시스템에 대한 세부적 설명을 위해, 이 백서에서는 PXISA에 의해 정의된 스펙과 이것이 NI의 PXI 하드웨어에서 어떻게 구현되는지 중점적으로 다룹니다.

PXISA 하드웨어 스펙은 기계, 전기 및 소프트웨어 아키텍처와 관련된 모든 기능 요구사항을 규정합니다. PXI Express 스펙은 CompactPCI 및 CompactPCI Express 스펙을 구현한 것입니다. 그림 2는 기계적 및 전기적 측면에서 어떻게 CompactPCI 및 CompactPCI Express 스펙을 주요 PXI 기능과 결합하여 전체 아키텍처를 생성하는지 보여줍니다. 이 문서의 다음 섹션에서는 이러한 계층 구조를 세분화하여 각 섹션에서 더 자세히 살펴보고 구체적으로 PXI에 어떻게 적용되는지 설명합니다.

그림 2. 전체 PXI 아키텍처

기계적 아키텍처는 CompactPCI, CompactPCI Express, PXI, PXI Express 간의 물리적 호환성을 지정합니다. 예를 들어, 기계적 아키텍처를 통해, 시스템 컨트롤러는 PXI 섀시의 가장 왼쪽 슬롯에 위치하도록 정의되어 PCI 버스 세그먼트의 왼쪽 끝에 위치하게 됩니다. 이렇게 위치를 정의함으로써 통합이 단순화되고 섀시와 컨트롤러 옵션 간의 호환성 정도도 높아집니다.

PXI 시스템에서 사용되는 컨트롤러는 외부 PC 또는 임베디드 컨트롤러일 수 있습니다. 임베디드 컨트롤러에는 통합 CPU, 하드 드라이브, 메모리, 이더넷, 비디오, 시리얼, USB, 기타 주변기기 등 표준 구성요소가 포함됩니다. 일반 Windows 환경(외부 PC와 동일한 일반 OS)에서 어플리케이션을 개발할 수 있습니다.

그림 3. 임베디드 컨트롤러는 독립형 계측기 또는 주변 디바이스에 연결될 수 있도록 다양한 I/O 연결 기능을 제공함

PXI 스펙은 CompactPCI 및 CompactPCI Express에서 사용되는 고성능 IEC 커넥터와 견고한 EuroCard 패키징 시스템을 채택하고 있습니다.

그림 4. NI PXI-8430은 EuroCard와 같은 패키징과 고성능 IEC 커넥터를 갖추고 있음

이 커넥터를 통해 계측기는 백플레인의 버스(예를 들어, PCI 및 PCI Express 버스)를 이용하여 시스템의 나머지 부분과 연결되고 통신합니다. 스펙이 최신 통신 버스를 포함하도록 발전해 가는 와중에 이러한 커넥터 설정은 이전 버전과의 호환성을 계속해서 유지합니다. 이에 대한 자세한 내용은 전기 섹션을 참조하십시오.

그림 5. 스펙은 PXI 섀시와의 통신에 사용되는 커넥터를 정의함

PXI 기계 스펙은 또한 CompactPCI 및 CompactPCI Express를 능가하는 특정 냉각 및 환경 개선 사항을 포함하여 산업 환경에서 완전 작동이 가능하도록 보장합니다.

그림 6. PXI 섀시가 어떻게 스펙의 냉각 요구사항에 부합하는지 확인

전기적 아키텍처는 PCI, PCI Express, CompactPCI 및 CompactPCI Express의 스펙과 전원 요구사항을 준수하도록 지정합니다. 또한 특정 타이밍 및 동기화 기능을 추가하여 성능 테스트 및 측정에 적합하고 독특한 PXI 플랫폼이 될 수 있도록 합니다.

PXI 섀시의 핵심 전기적 구성요소는 통신 버스입니다. PCI가 PCI Express로 발전함에 따라, PXI 섀시 백플레인에 PCI Express를 통합하여 PXI가 더 많은 어플리케이션 요구 조건을 충족할 수 있도록 스펙도 발전했습니다.

레거시 계측기의 경우, PXI는 PCI 통신을 지원합니다. 이 통신은 병렬로 데이터를 송수신할 때 일반적으로 사용되는 32비트 버스입니다. PCI 인스트루먼트의 최대 대역폭 또는 처리량은 132 MB/s입니다. 어플리케이션에 더 높은 대역폭이 필요했기 때문에, PCI Express는 레인이라고 불리는 한 쌍의 송수신 연결을 통해 데이터를 직렬로 전송하도록 정의되었고, 이로써 데이터는 방향당 250 MB/s의 속도로 전송될 수 있게 되었습니다. 이 직렬 연결을 PCI Express Gen1 x1 “링크” (1개 단위)라고 합니다. 여러 레인을 그룹화하여 x2, x4, x8, x16 및 x32 링크를 형성함으로써 대역폭을 늘릴 수 있습니다. 이 링크는 컨트롤러와 계측기가 장착된 슬롯 사이를 연결합니다. 예를 들어, x16 슬롯은 4 GB/s (250 MB/s * 16)를 송수신할 수 있습니다. 이전 PXI 계측기 및 새로운 PXI Express 계측기와의 호환성을 보장하기 위해 PCI 통신 버스와 PCI Express 통신 버스 모두가 PXI 섀시에 통합되었습니다. PCI Express 스펙이 차세대 버전으로 발전해 감에 따라, PXI는 이전 버전과의 호환성을 유지하면서 동시에 새로운 기능을 PXI 섀시에 계속 통합시킬 것입니다.

그림 7. NI PXIe-1085 섀시의 예에서 슬롯에 장착 가능한 모듈 타입에 따라 각 슬롯에 라우팅되는 PCI 및 PCI Express 라인이 강조 표시됨

최신 PC 기술을 통합하도록 발전해 가는 섀시 통신 버스와 함께, PXI 주변 모듈은 PCI Express 통신 버스 기능을 활용할 수 있도록 PXI에서 PXI Express로 발전했습니다. PXI와 PXI Express 모듈 간의 호환성을 보장하기 위해 PXI 스펙은 하이브리드 슬롯을 추가했습니다. 이 슬롯을 사용하면 PXI 또는 PXI Express 주변 모듈을 PXI 섀시에 삽입할 수 있습니다. PXI 섀시는 다음을 포함할 수 있습니다.

• 시스템 슬롯 (임베디드 또는 원격 PXI Express 컨트롤러 장착 가능)
• PXI 주변 슬롯 (PXI 모듈 장착 가능)
• PXI Express 하이브리드 주변 슬롯 (PXI Express 주변 모듈, 32비트 CompactPCI 주변 모듈, 하이브리드 호환 PXI 주변 모듈 장착 가능)
• 시스템 타이밍 슬롯 (PXI Express 주변 모듈과 PXI Express 시스템 타이밍 모듈 모두 장착 가능)

그림 8. PXI 섀시에서 찾을 수 있는 슬롯 타입

이 모든 것을 통합하기 위해 스펙은 PXI 섀시 백플레인을 통해 가능한 기술을 정의합니다.

그림 9. PXI 섀시는 최신 통신 버스를 통합하는 동시에 주변 모듈의 요구사항을 수용할 수 있도록 다양한 슬롯 옵션으로 라우팅함

전기 스펙은 통신 버스 외에 타이밍 및 동기화 기능도 정의합니다. 여기에는 시스템의 모든 주변 모듈에 배포되는 PXI 10 MHz 시스템 클럭의 정의가 포함됩니다. 이 공통 참조 클럭을 사용하여 측정 또는 컨트롤 시스템의 여러 모듈을 동기화할 수 있습니다. 클러킹 외에도 멀티드롭 트리거 버스 및 일치된 트레이스 길이 Star 트리거 네트워크와 같은 PXI의 트리거 기능이 있습니다. 8개의 PXI 트리거 라인이 PXI 트리거 버스를 형성하며, 이는 유연성이 높아 다양한 방식으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 트리거는 여러 PXI 주변 모듈의 작업을 동기화하는 데 사용할 수 있습니다.

그림 10. PXI 주변 모듈에 트리거를 어떻게 전달하는지 보여주는 NI PXIe-1085 섀시 PXI 트리거 버스 연결 다이어그램

더 높은 성능이 필요한 어플리케이션을 위해, 스펙은 PXI 시스템에 고성능 동기화 기능 세트를 추가하는 PXI Star 트리거 네트워크를 정의합니다. Star 트리거 네트워크는 시스템 타이밍 슬롯(슬롯 번호 주변에 마름모꼴 또는 사각형 문양으로 표시됨, 각각 PXI와 PXI Express)과 다른 주변 슬롯 사이에 전용 트리거 라인을 구현합니다. 이 슬롯에는 타이밍 및 동기화 모듈인 Star 트리거 컨트롤러가 설치되어 정확한 클럭과 트리거 신호를 다른 주변 모듈에 제공합니다. 또한 PXI 섀시의 온보드 VCXO 정확도를 온보드(TCXO, OCXO), 파생(DDS), 또는 외부(루비듐 소스) 클럭으로 덮어써서 섀시의 고주파수 시스템 참조 클럭, 10 MHz 및 100 MHz 클럭을 정의할 수 있습니다.

그림 11. NI PXIe-1085 섀시는 이 Star 연결 다이어그램을 사용하여 각 슬롯 사이의 전파 지연을 일치시킴

PXI 트리거 버스와 PXI Star 트리거 네트워크가 슬롯 사이에서 어떻게 라우팅되는지 아래에서 확인할 수 있습니다. 이러한 모든 기능 간의 호환성을 보장하기 위해 SYNC 100이 도입되어 섀시 내에서 10 MHz 및 100 MHz 클럭을 동기화하고 있습니다.

그림 12. 타이밍 및 동기화 기능이 어플리케이션의 요구 조건에 맞도록 가장 적절한 설정을 선택

PXI 소프트웨어 스펙은 PXI 플랫폼의 핵심 요소인 소프트웨어 아키텍처를 정의합니다. PXI는 소프트웨어 정의 계측 패러다임을 기반으로 하기 때문에 기본적으로 하드웨어에 디스플레이 화면, 노브, 누름 버튼과 같이 사용자가 직접 접근할 수 있는 구성요소를 포함하지 않습니다. 사용자가 접근할 수 있는 모든 구성요소는 소프트웨어에 있습니다. 소프트웨어 프레임워크는 시스템 컨트롤러 모듈과 PXI 주변 모듈 모두에 대한 PXI 시스템 소프트웨어 요구사항을 정의합니다. OS 및 도구 지원이 지정된 PXI 소프트웨어 프레임워크와 호환되는 것으로 간주되려면 시스템 컨트롤러 모듈과 PXI 주변 모듈이 특정 요구사항을 충족해야 합니다.

그림 13. PXI 소프트웨어 아키텍처

PXI 스펙은 Microsoft Windows OS 기반의 PXI 시스템을 위한 소프트웨어 프레임워크를 제공합니다. 그 결과, 컨트롤러는 NI LabVIEW, NI Measurement Studio, Visual Basic, Visual C/C++ 및Python과 같은 업계 표준 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 사용할 수 있습니다. 또한 PXI가 필요로 하는 특정 소프트웨어 구성요소를 모듈 및 섀시 업체에서 제공해야 합니다. 시스템 설정과 시스템 기능을 정의하는 초기화 파일은 PXI 구성요소에 필요합니다. 마지막으로, 계측 분야에서 널리 채택된 VISA의 구현은 VXI, GPIB, 시리얼 및 PXI 계측의 설정 및 컨트롤을 위해 PXI에서 지정됩니다.

그림 14. 소프트웨어의 역할 측면에서 전체 PXI 아키텍처를 보여주는 다이어그램

PXI 시스템을 사용하는 간단한 사례를 살펴보겠습니다. NI PXIe-5451과 같은 PXI 모듈을 사용하여 신호를 생성하는 경우입니다. Windows 기반 컨트롤러를 사용하고 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 프로그램을 작성합니다. LabVIEW는 인스트루먼트 드라이버를 통해 계측기와 통신합니다. Measurement & Automation Explorer (MAX)를 사용하여 시스템이 이 통신에 맞게 설정되도록 합니다.

그림 15. 하드웨어 설정 및 소프트웨어 환경의 예

통신을 시작하려면 LabVIEW에서 작성된 프로그램을 실행합니다. LabVIEW 프로그램이 일련의 작업을 실행합니다. 이는 배후에서 진행됩니다. 통신 단계에 대한 아래 설명을 확인하십시오.

1 단계: PXI 시스템 컨트롤러에서 실행되는 LabVIEW

어플리케이션 코드가 컴파일되고 머신 레벨 코드로 변환됩니다.

2 단계: PXI 시스템 컨트롤러가 LabVIEW로 작성된 명령 세트를 PXI 주변 슬롯에 배치된 계측기로 전달함

PXI 시스템 컨트롤러 메모리와 프로세서 내에서, 머신 레벨 코드는 전기 신호로 변환되고 PCI 또는 PCI Express 통신 버스를 따라 전달됩니다. 이 예에서, 시스템 컨트롤러를 주변 계측기에 연결하는 PXI 섀시 백플레인을 따라 실행되는 것은 PCI Express 통신입니다.

3 단계: 명령이 섀시 백플레인의 통신 버스를 따라 전달됨

신호는 PCI Express 통신 버스를 통해 계측기가 장착된 PXI 슬롯으로 전달됩니다.

4 단계: 코드가 계측기로 전달됨

PXI 모듈은 전송된 명령을 읽습니다. 이 예에서, NI PXIe-5451이 신호를 생성하면 계측기가 모듈의 회로를 사용하여 신호를 읽고 필요한 작업을 수행할 뿐만 아니라 신호를 생성하여 모듈 전면의 커넥터에 전달합니다.

그림 16은 통신이 컨트롤러에서 실제 슬롯으로 전달되는 방식을 보여줍니다.

그림 16. 백플레인을 통한 신호 전달의 예

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