PXI总线技术【技术专攻】

2010年4月1专业课2专业课价格价格性能性能台式机台式机VXI针对主流用户的模块化仪器针对主流用户的模块化仪器Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperaturePXI总线概述定位填补空白台式机台式机3专业课v 4专业课PXI=PCI eXtensions for Instrumentation 扩展的内容扩展的内容和 0.8”CPCI空间相同没有电磁屏蔽规范(可选)冷却规范 触发线 局部总线 更多电源类型 10MHz时钟5专业课 1111年的历史年的历史 National InstrumentsNational Instruments（NINI）公司）公司19971997年发起年发起 超过超过6060个厂家加入个厂家加入PXI PXI 系统联盟系统联盟 超过超过100100个产品供应商个产品供应商 全球大约有全球大约有10001000种产品种产品 (包括包括300300多种多种cPCI)cPCI)National Instruments National Instruments 是最大供应商是最大供应商 应用于数据采集，功能测试和工业应用应用于数据采集，功能测试和工业应用6专业课PCI PCI 总线优点总线优点7专业课PC Motherboard=Controller+Backplane8专业课PCI与与CompactPCI的外形尺寸9专业课64位PCI和PXI特性32位PCI100160mm 64位PCI和PXI特性32位PCIPXI保留PXI保留233.85160mm 3U 3U 的卡可以在的卡可以在6 6U U系统中工作系统中工作10专业课PXI PXI 标准标准 标准欧卡结构标准欧卡结构 3U Compatibility in 6U Chassis10 x 16 cm23 x 16 cmMost Popular 90%Market Penetration10%Market Penetration Growing3U 6U11专业课bus12专业课SoftwareElectricalMechanicalSSpecificationRevision 1.0August 20,199713专业课 PXI 使用以下技术术提高了可靠性和互用性:强制的主动动散热热 温温度测试测试及额额定温温度设设定 系统级统级的EMC、冲击击、振动动和湿湿度规规定 定义义了内内嵌控制器的位置14专业课机械特性Mechanical15专业课J1 J1J2J2采用的连接器16专业课机 箱Mechanical17专业课软软件扩扩展18专业课操作系统和应用程序无须改动即可在操作系统和应用程序无须改动即可在 PXI系统运行系统运行配置工具将配置工具将 PXI 模块识别为模块识别为 PCI 设备设备vPXI 和和 PC 的的软软件是一致的件是一致的19专业课触发线触发线系统控制器系统控制器星型触发控制器星型触发控制器外设外设外设外设外设外设10 MHz时钟时钟132 MB/s,33 MHz,32-bit 计算机总线计算机总线星型触发星型触发Local Bus电气扩展电气扩展20专业课采用采用PCI-PCI桥接技术实现系统扩展桥接技术实现系统扩展21专业课PCI-PCI桥的作用是协调两条桥的作用是协调两条PCI总线之间的通信，如总线之间的通信，如图所示。图所示。22专业课根据根据PCIPCI桥的工作原理的不同，可以把桥的工作原理的不同，可以把PCI-PCIPCI-PCI桥分为桥分为透明桥和非透明桥透明桥和非透明桥两种。两种。透明桥：通常用于总线扩展。桥的二次侧的所有透明桥：通常用于总线扩展。桥的二次侧的所有设备对一次侧的主系统是透明的。一次侧和二次设备对一次侧的主系统是透明的。一次侧和二次侧的地址完全透明，在一次侧和二次侧之间的地侧的地址完全透明，在一次侧和二次侧之间的地址传递是直通模式，没有地址翻译。址传递是直通模式，没有地址翻译。23专业课非透明桥：通常用于嵌入式智能非透明桥：通常用于嵌入式智能I/OI/O板卡。它连接板卡。它连接两个独立的处理器域，二次侧的资源和地址对一次两个独立的处理器域，二次侧的资源和地址对一次侧的主系统是不可见的侧的主系统是不可见的/允许二次侧的本地处理器允许二次侧的本地处理器独立地配制和控制其子系统。一次侧和二次侧的时独立地配制和控制其子系统。一次侧和二次侧的时钟完全独立。一次侧和二次侧的地址完全独立，在钟完全独立。一次侧和二次侧的地址完全独立，在一次侧和二次侧之间可以进行地址翻译。一次侧和二次侧之间可以进行地址翻译。24专业课采用标准采用标准PCI-PCIPCI-PCI桥接技术，桥接技术，PXIPXI系统可用一个以上系统可用一个以上总线段来组建。桥接部件在其互相连接的每个总线总线段来组建。桥接部件在其互相连接的每个总线中占用一个中占用一个PCIPCI负载。因此，双总线段的系统可为负载。因此，双总线段的系统可为PXIPXI外围模块提供外围模块提供1313个扩展插槽，即个扩展插槽，即2 2总线段总线段8 8插槽插槽(每段每段)1 1个系统控制器插槽个系统控制器插槽2 2个个PCI-PCIPCI-PCI桥接器插槽桥接器插槽=13=13个可用扩展插槽个可用扩展插槽三总线段系统为三总线段系统为PXIPXI外围模块提供外围模块提供1919个扩展插槽。个扩展插槽。PXIPXI触发总线只提供单总线段内的连接，不允许与触发总线只提供单总线段内的连接，不允许与相邻的总线段存在物理连接。相邻的总线段存在物理连接。25专业课本地总线本地总线 触发触发 时钟时钟 星型总线星型总线VXI12 线线8 TTL,2 ECL10 MHz ECLD尺寸才有尺寸才有PXI13 线线8 TTL10 MHz TTL每槽每槽1条条PXI 具具备备 VXI 的特性的特性26专业课PXI-6070ENI 5102PXI-6533启动扫描启动扫描RTSI 示波器示波器多功能多功能 I/O示波器示波器数字数字 I/Ov触发线使模块同步触发线使模块同步27专业课PXI PXI 体系结构总结体系结构总结CompactPCI28专业课PXI 总线总线可方便地与与其它标它标准集成MXIGPIBbusVXI or VMEStand-alone InstrumentPXI SystemModulesModules29专业课PXI系统构成：系统构成：主计算机主计算机、PXI机箱机箱、PXI模块模块30专业课PXI 控制方案 内嵌控制器最紧凑紧凑的方案模块块化=易于维护维护 Pentium 和 Pentium III 级别级别 远程 MXI-3 控制器短距离或者长长距离 完全透明低成本31专业课嵌入式控制器32专业课Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature Multisystem Extension Interface for PXI and CompactPCIMXI-3 Implementation of PCI-PCI Bridge33专业课多系统扩展接口：多系统扩展接口：MXI-3 MXI-3 体系结构体系结构MXI-3SerialI/FMXI-3SerialI/FPCI 1PCI 034专业课MXI-3 MXI-3 结构结构Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature35专业课MXI-3 MXI-3 优点优点 为 PC 和 PXI/CompactPCI 提供更多插槽 高性能的串行连接 易于集成 软件透明 支持短/长距离传输 低成本Control PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature36专业课PXIVXI总线特点同步异步体积小大速度快慢价格低高电源少多电磁兼容差好厂家支持少多37专业课PXI模块电路大体分为两大部分：模块电路大体分为两大部分：接口电路接口电路和和器件功能器件功能PXI接口电接口电路路器件功能器件功能电路电路PXI完成完成PXI逻辑逻辑时序转换时序转换完成模块实际完成模块实际的硬件功能的硬件功能38专业课完成完成PXI底板总线与功能电路之间的底板总线与功能电路之间的通信（逻辑时序转换），是通信（逻辑时序转换），是PXI总线与功能电路之间总线与功能电路之间的桥梁。的桥梁。39专业课 PXI/PCIPXI/PCI总线定义了三个物理地址空间总线定义了三个物理地址空间 （1 1）内存地址空间）内存地址空间 （2 2）I/OI/O地址空间地址空间 （3 3）配置地址空间）配置地址空间40专业课系统控制：CLK，PCI时钟，上升沿有效 RST，Reset信号传输控制：FRAME#，标志传输开始与结束 IRDY#，Master可以传输数据的标志 DEVSEL#，当Slave发现自己被寻址时置低应答 TRDY#，Slave可以转输数据的标志 STOP#，Slave主动结束传输数据的信号 IDSEL，在即插即用系统启动时用于选中板卡的信号地址与数据总线：AD31:0，地址/数据分时复用总线 C/BE#3:0，命今/字节使能信号 PAR，奇偶校验信号仲裁号：REQ#，Master用来请求总线使用权的信号 GNT#，Arbiter允许Master得到总线使用权的信号错误报告：PERR#，数据奇偶校验错 SERR#，系统奇偶校验错41专业课PXI总线增加的信号 系统时钟信号TTL电平10MHz 功能模块间增加了13条PXI局部总线 8条触发总线 星型触发线42专业课总线命令的作用是用来规定主、从设备之间的传输类型，它出现于地址周期的C/BE3:0#线上。主设备是指通过仲裁而获得总线控制权的设备；从设备是指在 C/B E 3:0#上 出 现 命 令 时 被AD31:0线上的地址或IDSEL所选中的设备。43专业课C/BE3:0#命令类型说明命令类型说明0000中断应答中断应答(中断识别中断识别)0001特殊周期特殊周期(总线广播总线广播)0010I/O读读(从从I/O口地址中读数据口地址中读数据)0011I/O写写(向向I/O地址空间写数据地址空间写数据)0100保留保留0101保留保留0110存储器读存储器读(从内存空间映象中读数从内存空间映象中读数)0111存储器写存储器写(向内存空间映象写数据向内存空间映象写数据)1000保留保留1001保留保留1010配置空间读配置空间读1011配置空间写配置空间写1100存储器多行读存储器多行读1101双地址周期双地址周期1110存储器一行读存储器一行读1111存储器写并无效存储器写并无效44专业课PCI所有的数据传输基本上是由以下三条信号线控制的：所有的数据传输基本上是由以下三条信号线控制的：FRAME#：主设备驱动，表明数据传输的开始和结束；主设备驱动，表明数据传输的开始和结束；IRDY#：主设备准备好，主设备驱动；主设备准备好，主设备驱动；TRDY#：从设备准备好，由从设备驱动；从设备准备好，由从设备驱动；FRAME#信号有效后的第一个时钟前沿是地址期的开始信号有效后的第一个时钟前沿是地址期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开始一，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开始一个个(多个多个)数据期，每逢数据期，每逢IRDY#和和TRDY#同时有效时，所对同时有效时，所对应的时钟前沿就使数据在主、从设备之间传送应的时钟前沿就使数据在主、从设备之间传送.在此期间，可由主设备或从设备分别利用在此期间，可由主设备或从设备分别利用IRDY#和和TRDY#的无效而插入等待周期。的无效而插入等待周期。45专业课46专业课PXI总线接口电路设计总线接口电路设计实现实现方案优优点缺点专用PCI接口芯片+CPLD/FPGA技术比较成熟，价格比较便宜，通过对支持ISP的CPLD/FPGA预留接口可减少新产品设计风险、加快产品升级速度 外部连线太多，占用宝贵的PCB空间，且容易产生高频干扰。高速CPLD+PCI软件包 PCI接口控制器与CPLD之间的一大批信号连接线变为CPLD的片内连接线，从而大大减小了外部信号连接线的数量，降低了印制电路板设计的难度，增加了电路板的抗干扰性和稳定性。PCI软件包价格较昂贵，而且使用这一模块软件编程较复杂。自己在FPGA中实现PCI协议及逻辑功能将包括PCI控制器在内的所有逻辑功能模块都在一块FPGA中实现，具有开发成本很低，外部信号线连接较少，抗干扰能力较强，硬件设计简单，而且可以根据实现需要只实现部分PCI接口功能。由于PCI协议的复杂性，其接口的实现会比较困难，设计的周期会较长且很难在短时间内做到稳定。47专业课专用接口芯片专用接口芯片9030,9052,9050：从设备芯片：从设备芯片 9050,9052面向面向ISA卡转卡转PCI的市场的市场.9030为嵌入式专门设计为嵌入式专门设计.9054,9080,9060：主设备芯片：主设备芯片 9060是最早的是最早的32位位master的的PCI控制芯片控制芯片.9080取代取代9060;9054更成熟一些更成熟一些.48专业课49专业课50专业课 PCI ExpressPCI Express总线技术概览总线技术概览 PCI ExpressPCI Express开辟了更多的测试测量应用开辟了更多的测试测量应用 PCI ExpressPCI Express商业化的技术商业化的技术 PXI ExpressPXI ExpressPCI ExpressPCI Express应用于测试测量领域应用于测试测量领域51专业课52专业课PCI Express 综述 串行互连可以达到2.5 Gbits/s PCI 的传输先被打成信息包，再串行传送 低压差分信号,点到点,8B/10B 编码 x1(by 1)的带宽为250MB/s/direction x16(by 16)的带宽为4GB/s/direction 使用与PCI相同的软件模型 保证软件的兼容性 未来会使用Gen-2 clocking(5 Gbits/s)53专业课基于PCI Express的板卡NI PCIe-GPIB仪器控制卡X1 NI PCIe-1429图像采集卡X4PCIe 显卡X1654专业课计算机主板上的PCI 和PCI-E的插槽两个PCI PCI 插槽两个x1 PCI Express x1 PCI Express 插槽一个x16 PCI Express x16 PCI Express 插槽55专业课PCI Express 的分层架构56专业课软件层 PCI 软件模型的兼容性软件模型的兼容性 100%操作系统和驱动层的兼容性操作系统和驱动层的兼容性 PCI 配置和电源管理机制配置和电源管理机制 现在的操作系统无需改变即可正常启动现在的操作系统无需改变即可正常启动(包括包括BIOS)PCI Express 的层次映射使用了的层次映射使用了PCI的元素的元素:Host-bridges P2P bridges 所有使用了普通所有使用了普通PCI设备配置的空间设备配置的空间 PCI 容量指针用于容量指针用于PCI Express的特殊扩展的特殊扩展 增强的特性为了将来的应用增强的特性为了将来的应用57专业课每个设备享有专门的带宽58专业课PXI Express将PCI Express技术融合到PXI中 6.0 GB/s 的背板的背板 来源于来源于CompactPCIExpress(EXP.0)标准标准 附加的附加的PXI 定时和同步定时和同步 100 MHz 的差分时钟的差分时钟 差分式的触发差分式的触发 向后兼容性向后兼容性 软件上完全的兼容性保存了您软件的投资软件上完全的兼容性保存了您软件的投资 混合插槽的定义，在同一个插槽中既符合混合插槽的定义，在同一个插槽中既符合PXI也也符合符合PXI Express的信号传递要求，帮助节省了的信号传递要求，帮助节省了硬件的投资硬件的投资59专业课60专业课61专业课混合插槽的灵活性PXI Express PXI Express 外设模块32-bit CompactPCI32-bit CompactPCI模块混合插槽兼容的PXI PXI 模块62专业课