Tutorium zur Spezifikation PXI Express

Einleitung

Der Industriestandard PXI hat seit seiner Einführung im Jahr 1998 schnell Verbreitung gefunden und ist bei automatisierten Prüfsystemen inzwischen eine der am meisten eingesetzten Prüfplattformen. PXI wird für tausende von Anwendungen verwendet, im Bereich der Luft- und Raumfahrt genauso wie beim Test von Unterhaltungselektronik und Kommunikationssystemen oder bei der Prozesssteuerung und industriellen Automatisierung. Einer der Schlüsselfaktoren, der zur schnellen Verbreitung von PXI geführt hat, ist die Verwendung von PCI als Datenbus in der Backplane. Nun, da die kommerzielle PC-Industrie die verfügbare Busbandbreite durch die Weiterentwicklung von PCI zu PCI Express im vergangenen Jahr drastisch erhöht hat, erfüllt PXI mit der Integration von PCI Express in den PXI-Standard noch mehr Anforderungen. Die Ingenieure der PCI Industrial Manufacturers Group (PICMG), die CompactPCI verwaltet, sowie die PXI Systems Alliance (PXISA), die für PXI verantwortlich ist, haben die erfolgreiche Integration der PCI-Express-Technologie in die PXI- und CompactPCI-Backplanes unter Wahrung der Kompatibilität mit den zahlreichen bestehenden Systemen ermöglicht. Durch PXI Express profitieren Anwender von deutlich höherer Bandbreite, Abwärtskompatibilität sowie zusätzlichen Timing- und Synchronisationsfunktionen – eine bereits etablierte Plattform erfährt dadurch eine weitere Aufwertung und Leistungssteigerung.

Erschließen neuer Anwendungsbereiche

Durch die Verwendung der PCI-Express-Technologie in der Backplane erhöht PXI Express den möglichen Datendurchsatz um mehr als das 45fache von 132 MB/s auf 6 GB/s. Die Hard- und Softwarekompatibilität mit PXI-Modulen bleibt dabei erhalten. Diese verbesserte Leistung erschließt PXI viele neue Anwendungsbereiche, die bisher häufig teure und proprietäre Hardware erforderten. PCI Express beispielsweise ermöglicht einem Digitalisierer entweder durch einen Embedded- oder einen MXI-Controller einen direkten Weg zum Prozessor bei einer Bandbreite von 1 GB/s. Gegenüber dem von einem PCI-Bus mit 32 bit und 33 MHz gebotenen Durchsatz stellt dies in etwa eine achtfache Verbesserung dar. So kann ein 16-bit-IF-Digitalisierer oder -Generator mit hoher Auflösung Daten mit einer Übertragungsrate von 500 MHz kontinuierlich an den Prozessor übermitteln, ohne dass er durch den Bus eingeschränkt wird oder sich die verfügbare Bandbreite mit benachbarten Modulen teilen muss.

Besonders in automatisierten Prüfsystemen im militärischen Bereich und in der Luft- und Raumfahrt ermöglicht die höhere Bandbreite von PXI Express neue Lösungen für viele Anwendungen.

• IF-Messgeräte mit hoher Bandbreite für den Test von Kommunikationssystemen
• Schnittstelle zu digitalen Hochgeschwindigkeitsprotokollen einschließlich LVDS-basierten proprietären Protokollen, IEEE 1394, Fibrechannel usw.
• Datenerfassungssysteme mit hoher Kanalanzahl für Struktur- und akustische Prüfungen
• Hochgeschwindigkeits-Bilddatenerfassung
  

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Abbildung 1: PXI Express erschließt neue Anwendungsbereiche wie etwa HF-Applikationen, Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstellen und Hochgeschwindigkeitsbilderfassung.

PCI-Express-Technologie für CompactPCI und PXI

PCI Express wurde für die Verbesserung der PCI-Busplattform konzipiert. Der auffälligste Vorteil von PCI Express gegenüber PCI besteht in der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen dem Controller und den Peripheriemodulen. Das PCI-Bussystem wird durch eine Topologie ersetzt, die jedem Gerät seinen eigenen direkten Zugriff auf den Bus ermöglicht. Wird bei PCI die Bandbreite auf alle Geräte am Bus aufgeteilt, so stellt PCI Express jedem Gerät eine eigene Datenleitung zur Verfügung. Daten werden seriell und als Pakete über Sende- und Empfangspaare, die Lanes genannt werden, verschickt. Diese ermöglichen eine Bandbreite von 250 MB/s pro Richtung und pro Lane. Mehrere Lanes können zu x2-, x4-, x8-, x16- und x32-Lanes zusammengeschaltet werden, um die Bandbreite des Steckplatzes zu erhöhen. PCI Express verbessert die Datenbandbreite verglichen mit PCI-Bussystemen deutlich und verringert so den Bedarf an teurem Zwischenspeicher auf den Peripheriemodulen. Zudem ermöglicht es eine schnellere Datenübertragung. Mit einem x16-Steckplatz können bis zu 4 GB/s dedizierte Bandbreite erreicht werden, wohingegen bei PCI mit 32 bit und 33 MHz nur 132 MB/s möglich sind, die zwischen allen Geräten aufgeteilt werden.

Die Organisationen PICMG (www.picmg.org) und PXISA(www.pxisa.org) haben gemeinsam daran gearbeitet, einen reibungslosen Übergang zu ermöglichen und PCI Express bei garantierter Abwärtskompatibilität erfolgreich in CompactPCI und PXI zu integrieren. Da PXI auf der CompactPCI-Spezifikation basiert, begannen die Bemühungen um die Integration von PCI Express bereits Anfang 2004 mit CompactPCI Express. Die CompactPCI-Express-Spezifikation, die am 27. Juni 2005 vorgestellt wurde, umfasst die Auswahl von Anschlüssen zur Unterstützung von PCI Express, die Bestimmungen von Steckplätzen und des mechanischen Aufbaus, Definitionen der elektrischen Signale von Steckplatz und Karte sowie Anforderungen hinsichtlich der Kompatibilität. Die Arbeit an der PXI-Express-Spezifikation begann im Mai 2005 und wurde im September desselben Jahres abgeschlossen. PXI Express ergänzt die CompactPCI-Express-Technologie um Spezifikationen für die Kompatibilität mit PXI, Timing und Synchronisation sowie Architekturen für die Systemsoftware.

Da die Backplane von CompactPCI/PXI Express, wie in Abbildung 2 dargestellt, PCI Express integriert und dabei die Kompatibilität mit bestehenden PXI-Modulen beibehält, profitieren Anwender von erhöhter Bandbreite und Abwärtskompatibilität mit bestehenden Systemen. PXI Express spezifiziert Hybridsteckplätze, die für die Aufnahme von PXI- und PXI-Express-Modulen geeignet sind. Eine PCI-Express-zu-PCI-Brücke garantiert, dass auch bei PXI Express PCI-Signale auf alle PXI- und PXI-Express-Steckplätze übertragen werden, so dass die Kompatibilität mit PXI-Modulen auf der Backplane gewährleistet ist. Der Steckplatz für die Systemsteuerung unterstützt PCI-Express-Verbindungen bis zu x16 und stellt der PXI-Backplane damit eine Bandbreite von insgesamt 6 GB/s zur Verfügung. Dies führt zu einem um das 45fache verbesserten Durchsatz gegenüber der PXI-Backplane.

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Abbildung 2: Diese Backplane mit acht Steckplätzen verfügt über drei neue Hochleistungssteckplätze (jeweils 1 GB/s dedizierte Bandbreite) und sorgt weiterhin für Kompatibilität mit vorhandenen PXI-Modulen bei allen Steckplätzen.


Indem sie die verfügbaren Pins auf der PXI-Backplane mit ihrer hohen Kanaldichte nutzen, unterstützen PXI-Express-Hybridsteckplätze sowohl PCI- als auch PCI-Express-Signalisierung. So sichern diese PXI-Express-Hybridsteckplätze die Abwärtskompatibilität, die bei Direktsteckverbindern von Desktop-PCs, bei denen ein einzelner Steckplatz nur entweder PCI- oder PCI-Express-Signale unterstützt, nicht möglich ist. An einen Hybridsteckplatz kann also ein PXI-Modul mit PCI-Signalisierung oder, in Zukunft, ein leistungsstarkes PXI-Express-Modul mit PCI-Express-Signalisierung angebunden werden.

In Abbildung 3 wird dargestellt, wie ein PXI-Express-Hybridsteckplatz die Kompatibilität zu PXI und PXI Express gewährleistet. Die P1- und XP4-Stecker behalten die PCI-Signalisierung sowie die PXI-Timing- und Synchronisationssignale bei. Mit dem neuen XP3-Stecker bietet der Hybridsteckplatz eine Anschlussmöglichkeit für PCI Express x8 sowie Anschlusspins für Timing- und Synchronisationfunktionen.

Abbildung 3: Im Gegensatz zu Desktop-PCs bietet der neue hybride Peripheriesteckplatz für PXI Express Hardwarekompatibilität, indem er den zusätzlichen Raum für Pins auf der Backplane nutzt, um Module mit PCI- oder PCI-Express-Signalisierung im selben Steckplatz zu installieren.

Gewährleisten der Softwarekompatibilität

Neben der durch Hybridsteckplätze ermöglichten Hardwarekompatibilität bieten PXI-Express-Systeme auch Softwarekompatibilität, so dass Anwender ihre Investitionen in bestehende Software gewahrt sehen. Die Softwarekompatibilität zu PCI Express wird von der PCI Special Interest Group (PCI-SIG), zu der Unternehmen wie Intel und Dell gehören, garantiert. Da PCI Express softwareseitig vollständig kompatibel zu PCI ist, gewährleistet die Spezifikation, dass PCI-basierte Systeme (wie PXI) und PCI-Express-basierte Systeme (wie PXI Express) ohne Veränderung beibehalten werden können. Daraus folgt, dass sowohl Anbieter als auch Kunden weder Treiber noch Anwendungssoftware für PCI-Express-basierte Systeme wechseln müssen.

Da die Softwarekompatibilität zwischen PCI und PCI Express erhalten bleibt, senkt die Spezifikation die Kosten für bestehende Prüfsysteme, die um die neue PCI-Express-Technologie ergänzt werden, für Hersteller und Integratoren erheblich. Aufgrund der Kompatibilität von Hardware und Software sind die Kosten für die Ergänzung von PXI Express minimal.

Zusätzliche Timing- und Synchronisationsfunktionen

PXI Express behält nicht nur die Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXI bei, sondern bietet auch etliche neue Synchronisationsfunktionen. Dafür werden vorhandene differenzielle Anschlüsse, die in PXI benötigt werden, und differenzielle Signalisierung mit höherer Leistung und zu günstigen Preisen genutzt. Ausgehend von bestehenden PXI-Funktionen bietet PXI Express zusätzliche Timing- und Synchronisationsfunktionen: einen differenziellen Systemtakt, differenzielle Signalisierung und differenzielle Star-Trigger, wie in Abbildung 4 gezeigt. Aufgrund der differenziellen Taktung und Synchronisation ziehen PXI-Express-Systeme einen Vorteil aus erhöhtem Signal-Rausch-Abstand und der Möglichkeit, höhere Frequenzen zu übertragen. Takte mit hohen Frequenzen geben Anwendern nicht nur die Möglichkeit, die Leistung des Systems zu steigern, sondern eignen sich auch gut für moderne Abläufe und die Herstellung kostengünstigerer Produkte ohne Schaltkreise für die Taktmultiplizierung. Da PXI Express hinsichtlich Synchronisation und Latenz industrieweit die beste Leistung bringt, erhöht die Technologie die Messgenauigkeit und verkürzt die Prüfzeit bei Anwendungen mit hohen Bandbreiten.

Abbildung 4: Ausgehend von bestehenden PXI-Funktionen bietet PXI Express zusätzliche Timing- und Synchronisationsfunktionen und erreicht damit eine höhere Messgenauigkeit.

Die Zukunft von PXI

Während die Integration von PCI Express in PXI der PXI-Express-Technologie neue Anwendungsbereiche erschließt, werden viele bestehende PXI-Anwendungen nicht von der höheren Leistung von PXI Express profitieren. Hardware wie beispielsweie Digitalmultimeter, Messstellenumschalter, industrielle I/O-Funktionen, Busschnittstellen und etliche konventionelle Generatoren und Analysatoren benötigen diese hohe Bandbreite nicht. Daher werden Hersteller solcher Module auch in näherer Zukunft klassische PXI-Geräte anbieten. Aus diesem Grund ist einer der wichtigsten Aspekte der PXI-Express-Spezifikation das Routen der PCI- und PCI-Express-Signalisierung zu neuen Hybridsteckplätzen, da PXI-Systeme noch viele Jahre beide Ausführungen integrieren werden und somit die Wahrung getätigter Investitionen sichern. Anwender sollten daher nicht erwarten, dass Hersteller alle bestehenden Kartenmodelle auf PXI Express umrüsten. Viele Gerätehersteller werden PXI-Produkte weiterhin auf PCI-Signalisierung aufbauen, da die aktuelle PCI-Architektur ausreicht und PCI-Signalisierung an allen Steckplätzen zur Verfügung steht.

Literaturverzeichnis

[1] CompactPCI Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification, PCI Industrial Manufacturers Group, 27. Juli 2005

[2] PXI-5 PXI Express Hardware Specification Revision 0.5, PXI Systems Alliance, 15. Juli 2005

[3] G. Caesar, PXI Embraces New Commercial Standards, Instrumentation Newsletter, Q2 2005.
http://ni.com/news/inst_news_q2_05.htm

[4] J Titus, PXI gets the Express Treatment, ECN, 1. Juli 2005. http://www.ecnmag.com/article/CA623714.html

[5] L Gutterman, PXI Express?, PXI Technology Review, Frühjahr 2005.
http://www.pxionline.com/columns/PXISA/

[6] Introduction to PCI Express, National Instruments
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3540

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