基于高带宽的PXI Express平台 实现高速数据记录

s (32位、33MHz)传输速率，针对低速(小于80MB/s)且低价的数据记录应用来说，PCI接口仍可满足，不过需要注意的是，PCI是并行的总线接口，若有多个设备置于同一总线时，带宽则会被分享。区别于PCI总线，PCI Express接口具有点对点的特性，每个link在每个方向上可提供高达250MB/s传输速率。若要增加带宽，最简单的方式就是将多个link结合起来，成为x4、x8甚至x16通道。而2003年推出的PCIe 1.0a规格、2007年推出的PCIe 2.0标准，PCI-SIG在2010年11月再度提出PCIe 3.0规格，持续推进更新的编码方式及强化的信号完整性以大幅度提升其传输速率，因此对于需要高速数据记录的应用来说，采用PCIe接口的模块化仪器是一大利器。显而易见，采用PCI Express为模块化仪器的总线接口可以得到优化的系统效率。

l PXI Express机箱内PCIe总线的绕线架构

在PXI Express机箱的系统槽中，为了让外围槽的扩展及规划更有弹性，系统槽连接到背板上的接口有4-Link及2-Link两种架构。4-Link架构中每个link具备有4个通道，而2-Link架构中则允许其中一个link有8个通道，而另外一个link则可有高达16通道。为了要达到最高的传输速率，在PXI Express机箱内的PCI Express总线的走线方式、架构也是需要考虑的重点。以凌华科技PXES-2780机箱为例，这是一款具有18个槽位的机箱，含1个系统槽位、1个系统时序槽位(System Timing slot)、6个PXIe外围槽位(PXIe Peripheral Slot)及10个混合式槽位(Hybrid Slot)。当该机箱的系统槽位规划成4-Link接口时，可以提供每个槽位相对高速及平衡的传输速率。由于此机箱内的PCI Express接口为PCIe Gen2， 因此对整个系统来说可以提供高达8GB/s的系统带宽，单独对于第8与12槽这种具有x8接口来说，可以拥有4GB/s的带宽，而其他个别的PXI Express外围槽来说，则可拥有2GB/s的带宽。该机箱的4-Link规划示意图如下:

图三、配置为4-Link的凌华科技PXES-2780机箱示意图

若将PXI Express系统槽位设置成2-Link x8， 则可得到更高的传输带宽。凌华科技的PXES-2780机箱，其系统槽位可通过软件设置成2-Link x8接口，其架构如下图4。使用该架构，槽位8与槽位12可以提供x8的带宽。

图四、规划成2-Link的凌华科技 PXES-2780机箱示意图

使用者若能熟悉PXI Express机箱的规划架构，将能使模块化仪器在传输大量数据上获得更佳的传输性能。

l 系统内存与操作系统(OS)

在PXI Express系统控制器上，若能配有大容量的系统内存，则可延长数据记录的时间。然而搭配不同的操作系统(Operating System)可能会有不同的内存上限。例如对于32位的操作系统，其内存寻址空间通常不能超过4GB，而对于64位操作系统而言，一般可达512GB或者1TB的内存寻址。因此使用者需根据自身的需求来选择合适的操作系统，以支持所需的内存空间。

l 存储装置

要能稳定的执行大数据的读写工作，选择合适的存储装置极为重要。硬盘(HDD)是一种具有特别的机械装置，内含有高速旋转的磁盘以及具有磁性的读写头，来回于磁盘表面上，用以读取磁盘内所存储的数据单元。由此可知，读或写的速度将会受限于读写头的移动速度。为了增加读写的速度，几个硬盘通常会被组合起来成为一个虚拟的硬盘，这也是大家所熟知的RAID(Redundant Array of Independent Disks)，即磁盘阵列。另外最近越来越流行的固态磁盘则因为没有读写头的机械移动问题，因此能提供较硬盘更好的读写效率。若考虑到最佳的读写性能的话，固态磁盘将会是最佳的选择。

应用示例一、数据记录至系统内存

材料结构测试的高速数据记录

l 方案需求

某系统集成商想要开发一套多通道材料震动监控设备，并能够实现从不同的传感器同时进行1MS/s~50MS/s采样率的数据采集，同时将采集进来的数据记录到系统内存中，以直接进行后续的处理，而不需要将数据记录到磁盘上做存储。另外该系统集成商希望每个采集通道能够记录至少5~10秒的时间。接下来我们会针对这些应用条件进行评估，并讨论使用PXI Express平台实现这类型应用时，不同的采样率在设计上会遇到的瓶颈有哪些。

l 评估

下面是我们用来评估这个高速数据记录系统会使用到的组件:

ü PXI Express机箱: 凌华科技PXES-2780，18槽PXI Express机箱

ü 数字化仪: 凌华科技PXIe-9848，高速8通道100 MS/s 14位PXI Express数字化仪

首先我们先考虑PXI Express机箱中只有单一数字化仪的状况。下表是单一数字化仪在不同采样率下，以不同采集时间所需要的内存评估表。

当只有一张PXIe-9848时，以100MS/s进行8通道的采样时，总数据带