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有线PCI Express- 标准高速仪器连接器摘要 - PCI 及PCI Express规范开发商PCI特殊利益集团(PCI-SIG)于2007年2月发布了PCI Express外部电缆1.0规范，打破常规对PCI Express进行扩展。有线PCI Express是一种连接系统组件的高性能串行总线；以下部分将对有线PCI Express背后的技术、目前及今后在测量及自动化系统中的应用需求进行测试。介绍有线PCI Express在PCI Express的基础上提供一种可度量的、高带宽、低延迟连接；通过在电缆上扩展PCI Express，利用一台PC主机来完成处理和分析操作，将为高性能测量及自动化应用创造机会；例如，有线PCI Express可通过维持大于800 MB/s的传输速度来连接PC主机与PXI机箱；有线PCI Express性能高、成本低、便于连接，因此适合多种应用，特别适合那些目前因未装高速连接器而受限的应用。有线PCI Express通过定义电缆连接器、铜电缆性质及电性、连接器保持、识别和标签等，确立了一种标准的电缆PCI Express技术应用方法；该方法符合PCI Express基础规范1.1和机电规范，保证了PCI Express子系统之间的高数据速率。标准电缆和连接器根据x1、x4、x8和x16链路定义；可通过电缆提供边带信号，以保证现有硅片和软件实施的兼容性，因此，开发商可以使用现有的PCI Express生态系统。PCI EXPRESS技术概要PCI Express克服了最初由英特尔在10多年前开发的PCI总线的缺点；最初的PCI总线为32位并行总线，工作频率为33 MHz，理论带宽峰值为132 MB/s；该总线采用一个共享总线拓扑结构，在多台设备上共享总线带宽，来提供在总线上不同设备之间的通信；随着设备的演变，需要大带宽容量的新型设备开始占用同一个共享总线上其它设备的带宽；例如，吉比特级网络卡可以独自占用95%的可用PCI总线带宽。图中文字翻译：Processor: 处理器 Memory Controller Hub：内存控制中心I/O Controller Hub：输入/输出控制中心图1 每个PCI Express插槽为PC内存卡提供带宽，与PCI不同，该类插槽可以共享带宽。为满足这些先进设备的带宽需求，PC行业联盟及外设厂商开发出了PCI Express，并于2004年开始为标准PC台式机供货；主要供货商的多数台式机已经包括一个以上的PCI Express插槽；最著名的PCI Express改进是点对点总线拓扑结构；共享开关可用来代替PCI共享总线，可使每台设备直接自行访问总线。PCI Express与PCI不同，不是在总线上划分所有设备的带宽，而是为每台设备提供专业数据管道。数据通过成对传输及接收信号（称为“信道”）采用打包方式串行传送，这使得每个信道在每个方向的带宽达到250 MB/s。多个信道组合到一起，形成x1 (“序号1”)、 x2、x4、x8、x12、x16和 x32信道宽度，以增加插槽的带宽。图中文字翻译：Total Bus Throughput: 总线总吞吐量Number of Devices: 设备数量图2 PCI Express提供相当于传统PCI带宽30倍的专业可度量带宽。数据获取及波形生成等应用要求足够的带宽，以确保数据在不丢失或不被覆盖的前提下被快速传送到内存。与旧式总线相比，PCI Express可显著提升数据带宽，最大程度降低对单板存储器的需求和实现数据快速流动。2.5 Gb/s规范提供的最初信号频率是32位数、33MHz PCI可用带宽的30倍，利用PCI Express第二代信号今后有望增至5 Gb/s。由于PCI Express具有可度量信道拓扑结构，仪器厂商可部署一个PCI Express连接器，确保信道数目达到设备要求。有线PCI EXPRESS基于PCI Express的有线PCI Express是下一代服务器、台式机和笔记本电脑外围总线，它具有以下优点： 标准PC机的广泛应用意味着部署成本较低； 高带宽- x16电缆带宽高达4 GB/s 低延迟- 300-700 ns 应用软件和操作系统无需变更PCI模型 包括有线PCI Express在内具有至少15个标准化形式因子 标准专为芯片对芯片、板对板和设备对设备应用设计图中文字翻译：Increasing (Improving) Bandwidth: 增加（提高）带宽Max Bandwidth: 最大带宽Approximate Latency: 大约延迟Decreasing (Improving) Latency: 降低（提高）延迟Good: 良好Better: 更好Best: 最好图3 PCI Express提供最高带宽和最低延迟PCI-SIG标准机构将有线PCI Express定义为PCI Express基础规范的一种扩展；从设备对设备或沿更长距离扩展PCI Express是有线PCI Express的目标。有线PCI Express提供一种简易且高性能的PC扩展及测量I/O总线。尽管有线PCI Express规范提供实际电缆长度指南，但它目前无法设定最大电缆距离。当前部署自2006年以来，MXI（多系统扩展接口）Express遥控器一直使用有线PCI Express来连接PXI机箱和PC机。1991年，第一台MXI产品MXI-1开始用于连接VXI主机和PC机；最新产品MXI-Express使用有线PCI Express连接PXI Express机箱和PC主机；MXI-Express遥控器可用于x1和x4配置，可连续提供800 MB/s以上的吞吐量。PCI Express和ExpressCard主机接口可分别用于台式机和笔记本电脑；在MXI-Express上使用有线PCI Express的主要目的是利用PCI Express的高性能形式因子和低成本。 图4中所示x1 MXI-Express的形式因子利用PC台式机上的一个PCI Express插槽来连接PXI Express机箱；图5中所示ExpressCard的形式因子支持使用同一个电缆来连接x1有线PCI Express和PXI Express机箱。因此，PXI模块和电缆常见于笔记本电脑和台式机中，可以提升重复使用率。图4 NI MXI-Express使用有线PCI Express来连接PC机和PXI机箱。图5 NI MXI-Express使用有线PCI Express来连接带ExpressCard的笔记本电脑和PXI机箱。1991年首次推出MXI产品时，当时最先进的MXI-1提供10 MB/s带宽，并采用当时的商业技术；通过将有线PCI Express并入MXI生产线，MXI-Express可支持大于800 MB/s的带宽。尽管带宽显著增加，但这些链路的成本在下降。图7列出了过去15年来每带宽价格显著下降情况。 PXI Express用XI-Express x4使每MB/s的成本降低了85%以上，从每MB/s 19美元下降到每MB/s 2.16美元。成本降低表明商业技术的力量，并确保基于PXI的虚拟部署将继续在更多价格敏感性应用中保持增长。图中文字翻译：Bandwidth: 带宽Product (Year Released) 产品（发布年）图6 有线PCI Express 使MXI-Express带宽比MXI-1带宽高80倍。图中文字翻译：Price per Bandwidth: 每带宽价格Year Released 发布年图7 从每MB/s 450美元到每MB/s 2.16美元，有线PCI Express使每带宽价格降低。未来部署工程师可以将有线PCI Express在多种仪器应用中作为一种高性能、低成本连接器来使用。例如，工程师可以通过实现两台传统独立式仪器互连，将一个传统独立式仪器与PC机相连，或将PC机与PXI机箱相连，使用有线PCI Express来传送高速数据。根据与有线PCI Express连接器任何一端相连的仪器是否有本地CPU，可将有线PCI Express分为两种不同的模式：主机模式- 主机模式只访问充当端点的仪器- 无本地CPU。时钟、地址和设备枚举使用一种透明网桥实现从主机到仪器的扩展；使用MXI-Express连接PC机和PXI机箱是本次部署的一个例子；PC机的CPU可为PXI机箱中的设备分配必需地址和资源。 本地模式- 本地模式通过PCI Express非透明网桥(NTB) 来访问带有内嵌式CPU的仪器。连接PC和带有内嵌式CPU的传统独立式仪器是本地模式应用的一个例子。在配置中安装两台CPU，时钟、地址和设备枚举会发生冲突；使用一台PCI Express非透明网桥可确保时钟、地址和设备枚举在两台仪器之间保持一致。软件- 定义合成及虚拟仪器由于有线PCI Express专为设备对设备应用而设计，因此，工程师可以用它来连接PC机和传统仪器。随着以软件为核心的仪器增加，对高速连接主机处理器的要求越来越高。例如，美国国防部（DoD)用术语“合成仪器” (SI) 来描述这些以软件为中心的系统。美国国防部设立了一个名为合成仪器工作组(SIWG)的委员会来定义合成仪器系统互操作性标准。合成仪器工作组将合成仪器定义如下：合成仪器是一个可重构的系统,连接一系列基本硬件和软件组件,备有标准化接口,利用数字处理技术产生信号和进行测量。合成仪器工作组主要关注适用于RF刺激和测量系统的合成仪器概念。RF测试等数据密集型应用需要一个高带宽、低延迟总线来连接IF数字转换器和处理器。图中文字翻译：High Speed- Control and Data (Cabled PCI Express): 高速-控制和数据（有线PCI Express）IF Digitizer: IF数字转换器Down Converter: 下行转换器Host Processor: 主机处理器Low Speed- Control Only (Cabled PCI Express or other): 低速-仅控制（有线PCI Express或其它）Signal Generator: 信号生成器Up Converter: 上行转换器图8 合成仪器RF结构图例如，通常对50 MHz RF信号进行数字转换需要100 MB/s带宽（每个例子中，14比特 A/D、2字节）；对于输入和输出通道而言，可增加到200 MB/s，而且对于增加的普通多通道或多入多出（MIMO）应用而言，所需带宽可快速计量为每秒千兆字节。特别是，考虑到PCI Express和有线PCI Express优良的技术性能、广泛商业应用和低成本基础架构，因此，应为这一高速链路选择PCI Express和有线PCI Express。在决定将PCI Express作为高速链路前，合成仪器工作组考虑在ATE系统中使用多种高速串行连接技术来移动数据。所考虑的评估标准是延迟性、带宽、支持通信方案、服务质量、电缆距离、成本、支持应用和寿命。分析结果已在IEEE AUTOTESTCON 2006上公布。表1 合成仪器工作组高速串行技术调查概要评估标准快速输入/输出InfiniBandPCI Express10 Gigabit Ethernet (TCP/IP)延迟带宽多播主机对主机支持服务质量距离成本支持应用寿命（部署）良好 更好 最好 结论有线PCI Express是一个适用于芯片对芯片、板对板和设备对设备应用的可度量、高带宽、低延迟总线。另外，有线PCI Express以较低的成本打开了一个连接PC主机的大型快速管道，因此，更多应用程序可利用用户定义的软件和硬件来实现用户定义的测量处理、分析和控制。今天，工程师可以使用有线PCI Express并借助MXI-Express来连接PC主机和PXI机箱。有线PCI Express目前利用7米最大长度电缆支持x1链路208 MB/s传输率，并支持x4链路800MB/s以上的传输率。当使用有线PCI Express连接分配系统时，高带宽、低延迟测量及自动化应用体验了显著性能改进。今后，有线PCI Express可能会为合成仪器提供一种令人信服的总线解决方案。
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