基于高带宽的PXI Express平台 实现高速数据记录

摘要

现今的电子系统需要负荷越来越大量的数据，包含模拟及数字数据。因此对于研究者与系统开发商来说，其最大的挑战就是如何整合、测试与维护更高速且精准的测试系统来处理日益增加的数据量。对于某些应用类型，例如视频信号分析，其需求是如何连续不断采集高速模拟与数字信息以进行实时分析。因此在设计或选用这类型量测系统时，若能清楚理解数据流向以及可能的问题所在，就能减少开发成本，加速上市时间，也能避免昂贵的系统重新设计成本。

频谱监控、信号分析、光达信号采集、光纤测试、雷达及卫星信号收集等应用，属于典型高速及高精确度数据采集应用。这些应用对工程师们最大的挑战就是要如何满足高带宽的系统需求。本文将分享以PXI Express平台在建构高带宽系统时所需要考虑的细节，例如数字化仪或波型产生器的板载内存、PXI Express机箱内的PCIe信号架构、计算机操作系统、内存及储存装置的选择。

简介

传统桌面型仪器的数据传输接口为GPIB、RS-232或是LAN，这些接口的好处在于非常容易操作使用，但在传输大量数据时其效率并不理想。当要采集大量连续数据时，数据长度就会因为内部存储器大小而受限。目前市面上新款的高级仪器，例如示波器、波型发生器或逻辑分析仪，采用x86的架构，因此在高速、大量数据采集的长度上则基本上没有限制。但若要跨仪器同步达到多通道采集时，便是个困难且复杂的课题。

自从1998年第一版的PXI规格问世后，PXI平台与其模块已经被大量应用于军工、电子制造及科学研究应用中。第一版的PXI规格采用了PCI总线的高速传输特性，而后续的PXI规范更采用了PCI Express总线，继承了其低延迟(Low Latency)、高带宽及点对点传输的特性，另外再加上特有的触发与时序同步的接口，使得PXI平台与PXI模块特别适合应用于高速数据传输。

当以PXI平台设计适用于高速数据记录的系统，不管是将数据连续由模块化仪器传送至系统内存或存储装置，或者相反的数据流向，都能够利用PXI Express的高速总线、点对点传输的特性以及特有的触发与时序信号，轻松地完成实现。接下来的文章内容将进一步讨论，在设计、实现数据记录系统的过程中，需要考虑的几个要点与方向。

数据记录系统的架构及其考量因素

下图一简单的示意了一组PXI Express平台中数据的流向，组成的组件包含了PXI Express机箱、PXI Express控制器及模块化仪器，包含数字化仪及波形发生器。以高速数字化仪为例，模拟信号被ADC采集转换成数字量数据后，会搬移到板载内存上暂存，接下来再经由总线控制器及PCI Express接口，传送到PXI Express控制器的系统内存上，做后续的计算及处理。若数据的流向目的地是存储设备，则会在未经任何处理计算的情况下，被直接搬移到存储装置，以维持高速、连续不断的数据记录。在PXI Express背板上，采用了PCIe switch使得系统得以扩展出更多槽位。由于不同的PXI Express机箱有不同的槽位型态，因此每个PCIe switch的绕线方式都不同，进而影响到数据传输效率。如模块化仪器-波形发生器，其数据流则以相反方向运行。

图一、PXI Express平台与模块化仪器整体架构简化图，显示PXI Express系统的数据记录传输的方向

接下来我们会讨论数据记录系统的每个环节及对于数据带宽的影响。

l 模块化仪器的板载内存

大约十多年前，高速的PCI数字化仪都需要配备大量的板载内存以暂存来自高速ADC的数据，主要原因是当时的PCI总线仅能提供约132MB/s的数据带宽(多数系统仅能达到约80MB/s)。PCI总线的带宽，无法满足于8位1GS/s或14位200MS/s的数字化仪所需要的数据带宽。为了要增加记录或采集时间，512MB、1GB或甚至4GB的板载内存就会被应用于数字化仪之上。目前虽然高速PCIe总线接口可提供数倍于PCI总线的带宽，但数字化仪通常还是会配备有大量的板载内存深度(大于100MB)，用于当作数据暂存，以避免CPU或DMA控制器过于忙碌而无法实时传输数据。举例来说，一个单通道8位500MS/s的数字化仪，在完全不将数据传回系统内存状况下，可以记录高达1秒的时间，若配备有2GB内存则可记录高达4秒。

在选择数字化仪时，另外一个需要注意的就是其板载内存控制器的数据处理带宽。作为ADC与系统内存之间的桥梁，内存控制器需要有两倍的数据传输量，以能同时应付来自ADC的数据流入，以及将数据通过PCIe总线传送至系统内存。若存储设备控制器的带宽小于两倍数据流量，则数据会被暂存在板载内存上，长久下来就会造成数据溢出，而使数据连续性受损。

图二、数字化仪内的数据流

l 模块化仪器的总线接口

PCI总线提供132MB/