高性能PXI Express平台数据架构

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。

典型数据架构

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。

数据架构发展

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。

数据架构

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。

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