业​内​超​高性能​PXI Express​平台​的​数据​流​盘​架构

内容

概述

许多​应用​(如​RF​录​制​和​回​放、​电子​设备​验证​和​高​通道​数​数据​采集)​都会​产生​大量​的​数据。​过去,​示波器、​逻辑​分析​仪​和​任意​波形​发生​器​等​台式​仪表​系统​只能​实现​有限​的​数据​传输。​随着​仪器​的​不断​演进,​仪器​可能​具有​令人​难以​置信​的​快速​采样​率​和​高​信号​带​宽,​但是​用于​连接​仪器​与​PC​的​总​线​却​往往是​个​瓶颈,​总​线​负责​向​用户​返回​数据​以​进行​处理​或​存储。 此​数据​通信​总​线​的​吞吐量​会​直接​影响​仪表​带​宽​接​入,​进而​影响​整体​测试​和​测量​时间。

随着​基于​PC​的​测量​硬件​不断​采用​更​高性能​的​数据​总​线,​这些​硬件​不仅​可以​更​有效​地​满足​现有​应用​需求,​还​可以​应对​之前​无法​满足​的​新​应用​需求。 PCI Express​到​PXI Express​总​线​的​演进​则​进一步​提高​了​数据​传输​速率。​如果​在​从​仪器​经由​控制器​到达​硬盘​的​过程​中​部署​数据​流​盘,​则会​将​仪器​的​可用​内存​从​MB​级​提升​至​TB​级。 利用​高​带​宽​PXI Express​总​线​架构,​能够​以​足够​高​的​速率​实现​与​硬盘​之间​的​数据​传输,​从而​为​高​端​仪表​提供​支持。 现在,​随着​读/​写​速度​和​存储​容量​的​提高,​数据​流​盘​可在​比​以往​更​长​的​测试​周期​内​实现​更​快速​的​采样​率。

典型​的​数据​流​盘​架构

典型​数据​流​盘​架构​的​主要​目标​是​与​仪器​之间​高速​传输​数据,​从而​连续​生成​或​采集​信号。​执行​生成​任务​时,​主​控​计算​机会​从​内存​检索​数据,​然后​通过​通信​总​线​传输​至​仪器。​接着​仪器​会​根据​这些​数据​生成​物理​信号。​信号​采集​任务​则​是​反向​实现:​获取​仪器​生成​的​数据,​通过​总​线​传输​至​主​控​计算​机,​再​存储​在​内存​中。​根据​基本​组​件​与​总​线​接口​所​搭载​的​技术,​很多​元素​都会​给​系统​带来​吞吐量​瓶颈,​进而​降低​实际​数据​传输​速率。


图​1.​评估​系统​的​每​个​接口,​以便​充分利用​数据​流​盘​功能​来​满足​应用​需求,​例如​存储​和​回​放​已​录​制​的​RF​数据。

数据​流​盘​架构​的​发展

PXI-1​标准​采用​外​设​部件​互​连​(PCI)​总​线​来​实现​机​箱​内的​PXI​模​块​与​PXI​控制器​的​数据​交换。​PCI​是​一种​并行​总​线,​其中​最​常见​的是​位​宽​为​32​位​且​频率​33 MHz​的​总​线。​PXI​模​块​所​采集​的​数据​会​通过​PCI​总​线、​I/​O​控制器​与​内部​总​线,​从​板​载​设备​内存​传送​至​系统​内存​(RAM)。​接着​再​通过​内部​总​线​从​系统​内存​传输​至​硬盘。​PXI​模​块​所​产生​的​数据​则会​以​相反​的​方向​传输。


图​2.PCI​系统​的​数据​流​盘​架构,​部署​在​PXI​嵌入式​控制器​和​机​箱​之间。

根据​规范,​理论​上​PCI​总​线​的​最大​带​宽​为​132 MB/​s,​可​转换​为​110 MB/​s​的​实际​持续​吞吐量。​由于​所有​的​PCI​设备​仅​通过​一条​链​路​与​主​控制器​进行​数据​传输,​因此​所有​设备​都会​共享​110 MB/​s​的​实际​带​宽。​因此​就​PXI​系统​而言,​PXI​机​箱​内的​所有​模​块​都会​共用​PCI​总​线​带​宽。​随着​PXI​仪表​性能​的​不断​提高,​应用​也​随​之​不断​演变,​而且​模​块​与​控制器​之间​需要​传输​的​数据​量​也​将​持续​增加。​对于​这些​应用,​PCI​总​线​的​吞吐量​将​很快​无法​满足​需求。

PCI Express​由​PCI​总​线​进化​而来,​保持​了​与​PCI​的​软件​兼容​性,​但​用​高速​(2.5 Gbits/​s)​串​行​总​线​替代​了​并行​总​线。​PCI Express​通过​称为​通道​的​差分​信号​对​发送​数据,​每​通道​每​个​方向​提供​250 MB/​s​的​带​宽。​多​条​通道​可​组合​形成​具有​x1(乘​一)、​x4、​x8、​x16​等​典型​链​路​宽度​的​链​路。​x16 Gen1​链​路​可​为​每​个​方向​提供​4 GB/​s​的​单向​带​宽。​而且,​PCI Express​设备​不像​PCI​那样​与​总​线上​的​所有​设备​共享​带​宽,​而是​具有​专用​带​宽。​因此,​可​使用​更多​的​PXI​模​块​持续​与​嵌入式​控制器​之间​传输​数据。


图​3.​链​路​根据​组合​中的​通道​数量​进行​定义,​并且​标示​为“xN”,​N​代表​通道​数量。 例如,​PCI Express Gen1​通道​支持​250 MB/​s​的​速率,​而​PCI Express Gen2​通道​则​可​支持​500 MB/​s​的​速率。

PXI Express​机​箱​可​容纳​PXI​或​PXI Express​模​块,​因此​可​轻松​适应​不同​的​应用。​但​由于​仪表​功能​越来越​丰富,​总​线​技术​也​越来越​精进,​因此​随着​PCI Express 2.0​规范​(也​称为​PCI Express Gen2)​的​推出,​PCI​总​线​可​提供​更高​的​带​宽。​PCI Express Gen2​的​总​线​比​特​率​增加​了​一倍,​从​2.5 GT/​s​提高​到​5.0 GT/​s,​因而​提供​了​两​倍​于​PCI Express Gen1​的​数据​传输​速率,​同时​保留​了​与​PCI Express Gen1​的​完整​软​硬件​向后​兼容​性。​PXI Express​也在​不断地​利用​先进​的​PCI Express​技术。

例如,​NI PXIe-8133​嵌入式​控制器​采用​了​PCI Express 2.0,​提供​了​4​组​x4 Gen 2 PCI Express​链​路​来​连接​PXI​机​箱​背​板。​PXIe-8133​嵌入式​控制器​的​系统​总​带​宽​高达​6.4 GB/​s,​相较​于​采用​PCI Express Gen1​链​路​的​前​一代​嵌入式​控制器,​足足​提高​了​一倍。


图​4.​借助​PCI Express Gen2,​用户​可​同时​利用​更多​的​I/​O​通道​传输​数据,​进而​构​建​更​大型、​更​复杂​的​数据​录​制​和​回​放​应用。

PXIe-8133​嵌入式​控制器​连接​着​处理​器​与​板​载​PCIe​开关​之间​的​x16 Gen2​链​路。​从​提供​4​组​x4 PCIe​链​路​的​板​载​PCIe​开关,​连接​至​带​宽​为​6.4 GB/​s​的​PXIe-1075​机​箱。 PXIe-8133​的​内存​控制器​搭载​先进​的​处理​器​技术,​可​连接​DDR3 1333 MHz DRAM​的​两​个​通道,​并且​提供​8 GB/​s​的​总​内存​吞吐量。​强大​的​PCIe Gen2​技术​与​高​内存​容量​共同​提高​了​系统​总​带​宽。​使用​此​配置​时,​PXIe-8133​搭配​PXIe-1075​机​箱​可​充分利用​机​箱​带​宽,​实现​6.4 GB/​s​的​系统​总​带​宽。​基于​这​一​架构,​机​箱​与​嵌入式​控制器​的​组合​现在​可​匹配​相应​的​机​箱​带​宽​容量,​并且​随着​机​箱​设计​的​演变,​可​实现​更高​的​数据​吞吐量。

点对点​数据​流​盘​架构

有些​高​吞吐量​应用​对于​通信​延迟​和​数据​带​宽​容量​有​严苛​的​要求。​对于​这类​应用,​采用​最新​的​点对点​流​媒体​技术​是​不错​的​选择。​NI​点对点​(P2P)​流​媒体​技术​采用​PCI Express,​可​直接​在​多个​仪器​之间​点对点​传输​数据,​不需​经过​主机​处理​器​或​内存。​因此​系统​中的​设备​无​需​额外​占用​系统​资源​即可​共享​信息。


图​5.​借助​点对点​技术,​数据​包​无​需​再​经过​系统​主​控制器​内存,​这样​设备​之间​便可​确定​地​直接​传输​数据。

优​化​数据​流​盘​架构

一般​来说,​对于​需要​高​数据​传输​速率​的​应用,​必须​从​整体​上​审视​整个​数据​传输​架构,​包括​模​块、​背​板​以及​控制器,​这样​才能​全面​了解​平台​的​性能。​在​以前​的​数据​流​盘​架构​选项​中,​NI PXI Express​嵌入式​控制器​内​置​的​PCI Express​链​路​提供​足够​的​带​宽​来​尽可能​多​地​传输​来自​机​箱​的​数据。 在​评估​其他​供应​商​的​设计​方案​时,​供应​商​的​某些​选择​可能​会​限制​系统​的​整体​带​宽​能力。


图​6.​评估​嵌入式​控制器​与​机​箱​选项​时,​需要​考虑​架构​设计​选项,​尽可能​避免​系统​瓶颈。

以​图​7​为​例,​其他​供应​商​的​PXI Express​嵌入式​控制器​在​CPU​与​板​载​PCIe​开关​之间​采用​了​PCI Express x8 Gen1​链​路,​因此​限制​了​机​箱​与​处理​器​之间​的​带​宽。​虽然​其余​系统​部分​可​处理​高达​8 GB/​s​的​数据​传输​需求,​但是​所​选​嵌入式​控制器​架构​仍​会​导致​系统​总​带​宽​无法​超过​2.0 GB/​s。 因此​在​设计​数据​流​盘​系统​时,​必须​确保​系统​元件​之间​能​彼此​配合,​从而​实现​各自​的​带​宽​规范​级别。

相较​之下,​NI​新​推出​的​PXI Express​平台​产品、​机​箱​和​嵌入式​控制器​都​已​针对​这些​高​吞吐量​应用​场景​进行​了​优​化。​PXIe-1085​机​箱​采用​最新​的​PCI Express Gen3​技术,​并​可与​搭载​Intel Xeon 8​核心​处理​器​的​PXIe-8880​配合​使用。​NI PXIe-1085​的​插​槽​均​为​混合​插​槽,​可​支持​PXI​或​PXI Express​模​块。​总之,​这​款​机​箱​可​为​测试/​测量​应用​提供​出色​的​性能​和​灵活​性。


图​7.PXI Express​系统​利用​PC​总​线​的​技术​优势​来​持续​提高​数据​带​宽​能力,​进而​满足​新的​测试​应用​需求。

PXIe-8880​嵌入式​控制器​通过​x16 和​x8 PCIe Gen 3​链​路​连接​至​带​宽​为​25.6 GB/​s​的​PXIe-1085​机​箱。 PXIe-8880​的​内存​控制器​搭载​先进​的​处理​器​技术,​可​连接​DDR4 1866 MHz DRAM​的​三​个​通道,​并且​提供​30 GB/​s​的​总​内存​吞吐量。​借助​强大​的​PCIe Gen 3​技术​与​内存​能力,​系统​总​带​宽​比上​一代​NI​配置​产品​提高​了​一倍,​而​相比​其他​供应​商​的​产品​则​高出​三倍​之多。​这些​PXI Express​平台​产品​集成​于​单​个​机​箱​之中,​能够​以​非常​高​的​速率​实现​更​高性能​的​仪表​数据​传输。

结论​

应用​的​数据​流​盘​性能​取决​于​系统​中的​多个​因素。​评估​数据​流​盘​架构​的​每​个​连接​对于​获得​更高​的​整体​系统​吞吐量​至​关​重要。​利用​最新​的​PXI Express​技术,​系统​可​支持​高达​25.6 GB/​s​的​带​宽。​高​带​宽​容量​结合​机​箱​的​灵活​性,​可​支持​多种​PXI​或​PXI Express​模​块,​满足​各种​应用​的​需求,​同时​也​可​适应​未来​不断​演变​的​仪表。

下一步: