【NI资料】PXI系统带宽

1/16系统带宽发布日期: 二月24,2014概览PXI系统在工业领域得到了越来越多的应用，在使用PXI系统的同时，有必要对PXI系统本身特性尤其是PXI系统带宽有深入的了解。本文从纯硬件系统角度出发，对PXI系统带宽进行分析。首先分析PCI/PCIExpress特点与性能，进而阐述PXI系统中Switch与Bridge的作用，并最终得到对PXI/PXIExpress系统带宽的完整分析。对于PXI-8110与PXI-1042组成的系统，双向理论最大总机箱带宽为133MB/s，双向理论最大总系统带宽为133MB/s，双向理论最大总单槽带宽为133MB/s；对于PXIe-8133与PXIe-1075和PXIe8135与PXIe-1085组成的系统，单方向理论最大机箱带宽分别为4GB/s和12GB/s，单方向理论最大总系统带宽分别为4GB/s和8GB/s，单方向理论最大P2P带宽分别为1GB/s和4GB/s，单方向理论最大单槽带宽分别为1GB/s和4GB/s。目录IntroductionPCI/PCIExpress总线PXI/PXIe系统带宽Conclusion参考文献 1.IntroductionPXI（PCIeXtensionforInstrumentation）系统是NationalInstruments最初在1997年提出的模块化仪器平台[1]，并由PXISA（PXISystemAlliance）[2]推动PXI系统的发展，在2005年完成发布了PXIExpress系统标准[3]。在2009年PXISA宣布超过100,000台PXI系统被部署，整个PXI市场有望在2017超过1,000,000,000美元。图1模块化仪器的预期收益[4]NationalInstruments在申请的专利[5]中，申明了通过扩展基于通道的交换结构，以便提供仪器信号功能的仪器系统。在这样的系统中，有用于传输数据的总线，以及实现仪器信号功能的仪器信号线。仪器信号线包括本地总线、触发总线和星形触发总线，但仪器信号线仅仅传递定时同步信号，故在本文中仅通过阐述传输数据总线来介绍PXI系统理论上的最大带宽。PXI/PXIe系统采用PCI/PCIExpress总线传递数据，所以在接下来的部分中，首先简要介绍PCI/PCIExpress总线，之后阐述利用PCI/PCIExpress总线传输数据的PXI/PXIe系统带宽。2.PCI/PCIExpress总线PCI总线PCI（PeripheralComponetInterconnect）[6]总线是Intel在1993提出的计算机本地总线，并由PCI-SIG（PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup）[7]负责标准的制定。PCI总线的数据采用并行传输，比特位宽为32位或64位，常用为32位，时钟速率为33MHz或者66MHz，常用为33MHz。对于33MHz的32位PCI总线来说，传输容量为133MByte/s。PCI总线的连接器针脚如表1所示，其中AD[00-31]为PCI地址/数据总线，为PCI中地址和数据传输所共用。 表132bitPCIConnectorPinout[9]2/16总线上的设备并行接入到总线上，每个设备共享总线带宽，同一时刻只能有一个通信任务处于执行中，总线上设备占用总线带宽需要通过请求/授权协议进行申请，并且发送与接收共用相同总线。所以33MHz的32位PCI系统的传输容量133MB/s仅仅是理论上的最大双向总带宽，当总线上有多个设备的时候，平均到每个设备的实际带宽会明显下降。除此之外，由于PCI总线采用并行传输方式，当时钟速率升高时，多条传输线信号间同步很难保证，所以PCI总线的时钟速率难以显著提高，这也限制了总线的传输带宽。PCI系统传输带宽的限制导致它无法满足最新诸如高速显卡等应用的需要，所以PCI-SIG在之后制定了PCIExpress总线标准[8]。 PCIExpress总线 针对于越来越高的总线传输速度要求，PCI-SIG制定了PCIExpess总线标准[8]。PCIExpress总线采用串行数据传输方式，避免了PCI总线并行方式带来的时钟速率无法显著提高的问题，数据传输速率可以很高。同时PCIExpress总线采用端到端连接方式，也就意味着传输链路并非多个设备共享，而是专属的传输链路。如图2所示，设备间互联的Link由若干个Lane组成，图2中的Link就由4个Lane组成，可以表示为×4Link。任何一个Lane包含两个差分信号对，一个差分对用于发送数据，另一个用于接收数据，也就是说一个Lane会包含4个信号线。这种结构可以全双工的同时发送与接收信号。 图2PCIExpressLink&LanePCIExpressGen1版本规定时钟速率为2.5GHz，同时采用8b/10b编码机制，所以每条Lane单方向传输数据的最大速率为250MB/s。PCIExpressGen2版本将时钟速率增大为5GHz，编码方式不变，所以每条Lane单方向传输数据的最大速率增大为500MB/s。PCIExpressGen3版本进一步将时钟速率提升为8GHz，同时采用128b/130b编码机制降低冗余编码开销。PCI-SIG正在积极制定新一代PCIExpressGen4版本标准，以便传输速率再上新的台阶。目前PCIExpressGen1和Gen2版本在NationalInstruments的PXIe系统中均得到应用，不同版本PCIExpress协议中，每条Lane单方向传输速率如表2所示。4/16（×1，×2，×4，×8，×16），最大为×16。每条Link中Lane的增加，可以整倍数的提升Link单向传输数据速率，如表3所示。PCIExpress的连接器针脚如表4所示。PCIExpress采用串行通信方式，相比于PCI并行传输方式避免了多条传输线同步问题造成的传输速率无法显著提升的问题，只包含单条Lane的×1Link可以达到250MB/s的传输速率，已经大于PCI所能提供的最大133MB/s传输速率，传输速率明显提升的同时插槽尺寸可以显著降低。此外PCIExpress采用差分信号传输方式，可以有效消除共模干扰对信号的影响。 表4PCIExpress×16ConnectorPinout[9]5/16系统带宽PXI/PXIe系统采用PCI/PCIExpress总线传输数据，在本节中结合NationalInstruments推出的典型硬件产品（PXI-8110+PXI-1042/PXIe-8133+PXIe-1075/PXIe8135+PXIe-1085）对PXI/PXIe系统进行介绍。PXI系统PXI系统采用PCI总线标准传输数据，并增加专用仪器信号线[1][5]。在标准PXI系统中，功能板卡按需插入机箱中的通用Slot中。PXI系统中使用的Connector与CompactPCI[10]相同，如图3所示。PXI系统Connector的Pinout是基于CompactPCI并添加仪器信号线得到的，Connector中J1与J2部分中Pinout情况如表5和表6所示。J1部分的Pinout就完全包含32bitPCI总线所需所有信号线，而J2部分一方面包含实现64bitPCI总线的高32bit数据位，同时也包括本地总线、触发总线、星形触发总线和参考时钟这些PXI系统添加的仪器信号线。图3PXIConnector[1]表5J1ConnectorPinout[1]8/16[1]PXI-8110控制器硬件采用MobileIntelGM45ExpressChipset[11]并利用Intel82801ControllerHub来控制PCI总线连接[12]，如图4和图5所示。9/16[11]并利用Intel82801ControllerHub来控制PCI总线连接[12]，如图4和图5所示。图4MobileIntelGM45ExpressChipset[11]图5Intel82801[12]PXI系统中的板卡插入机箱后，与PC中PCI总线板卡传输数据方式相同，共享PCI总线带宽，所以在32bit的33MHz时钟速率设备中，PXI系统拥有与PCI总线相同的133MB/s最大传输速率。总线上的设备平等共享PCI总线带宽，所以当功能板卡与控制器板卡传输数据，具有133MB/s最大传输速率，当总线上同时传输数据的设备数目增大时，平摊到每个设备的带宽会相应减小。PXIe系统PXIe系统采用PCIExpress总线传输数据，同时依然具有仪器信号线。PXIe系统Connector采用CompactPCIExpress[10]相同的Connector。相比于基于PCI总线的PXI系统，PXIe系统基于PCIExpress总线，数据传输采用差分信号对，所以板卡Connector有所不同，如图6和图7所示。图63UPXIExpressSystemSlot10/16所示，J1Connector提供完整32bitPCI总线所需引脚，XP3Connector提供一条×8PCIExpressLink所需的引脚，而XP4Connector跟PXI系统中Connector此位置引脚基本相同，只是本地总线缩减为只剩PXI_LBL6、PXI_LBR6这一对。图8HybridPeripheralSlotPinAssignments系统插槽比较特殊，可以有两种LinkConfiguration，分为4LinkConfiguration和2LinkConfiguration，ConnectorPinout分别如图9和图10所示。从图中可以看到，4LinkConfiguration可以提供四条×4PCIExpressLink，而2LinkConfiguration可以提供一条×8PCIExpressLink和一条×16PCIExpressLink。11/16可以看到，所有XP2和XP3Connector中信号传输采用差分信号对，差分对与差分对之间有特殊形状GND引脚分割，可以满足高速数字信号的电磁兼容（EMC）和信号完12/16可以看到，所有XP2和XP3Connector中信号传输采用差分信号对，差分对与差分对之间有特殊形状GND引脚分割，可以满足高速数字信号的电磁兼容（EMC）和信号完整性（SI）要求。了解PXIe系统Connector中Pinout情况对后续理解PXIe系统传输数据带宽有很重要的意义。Switch&Bridge将相同类型网络连接在一起的器件称为Switch，而将不同类型网络连接在一起的器件称为Bridge[9]。Switch与Bridge器件在PXIe系统中得到重要应用并直接影响PXIe系统带宽，所以在本小节中以PLXTechnology公司产品为例简要介绍Switch与Bridge器件功能，下一小节介绍其在PXIe系统中应用。PLXTechnology公司PEX8533PCIeSwitch[13]芯片和PEX8112PCIe-PCIBridge[14]芯片得到了广泛的应用，其中PEX8533PCIeSwitch芯片在PX