Einführung zu PCI Express
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Die folgenden Abschnitte enthalten eine kurze Einführung in das Bussystem PCI Express. Weiterhin wird erläutert, auf welche Weise National Instruments die Akzeptanz von PCI Express für PC-basierte Hard- und Software für die Mess- und Automatisierungstechnik vorantreibt. Ausführliche Informationen zum Standard PCI Express finden Sie unter PCI Express – Der Standard PCI Express im Überblick.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Die Geschwindigkeit, mit der Desktop-Rechner immer weitere Innovationen erleben, ist schier überwältigend. Entsprechend dem Moore’schen Gesetz hat sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit seit der Erfindung des integrierten Schaltkreises alle 18 Monate verdoppelt. Softwareentwickler erstellen neue Produkte und Versionen, mit deren Hilfe die neuesten Fortschritte bei Verarbeitungsgeschwindigkeit, Speichergröße und Festplattenkapazität unterstützt werden. Hardwarehersteller bringen neue Geräte und Technologien auf den Markt, um mit den Anforderungen der aktuellen Software Schritt zu halten. Diese laufenden Neuerungen sind ebenfalls im Bereich der PC-basierten Messhard- und -software offensichtlich. So liefern Steckkarten jetzt Messungen mit 16 bit bei bis zu 15 MHz.
Mit zunehmenden Datenerfassungsraten aufgrund der Fortschritte bei den Chiptechnologien müssen immer größere Datenmenge zur Verarbeitung an den PC übertragen werden. Diese Übertragungen werden vom Datenbus übernommen, der das Gerät mit dem PC-Speicher verbindet. Die Funktion des Busses entspricht dem Getriebe eines Autos – fehlt es, dann kann die Leistung des Motors nicht in die Fortbewegung auf der Straße umgesetzt werden. Wie beim Getriebe wird die entscheidende Rolle des Datenbusses häufig von der Leistung des Motors, also den Verarbeitungs- und A/D-Raten, überschattet. Die Geschwindigkeit, mit der die Datenübertragung erfolgt, ist jedoch häufig der kritische Faktor bei Messungen und der Hauptgrund dafür, dass viele Geräte über einen teuren integrierten Speicher verfügen.
Um den wachsenden Bedarf hinsichtlich der Bandbreite zu decken, wurde kürzlich eine neue Bustechnologie namens PCI Express eingeführt. Sie wurde ursprünglich entwickelt, um Hochgeschwindigkeits-Audio- und -Videostreaming zu ermöglichen. PCI Express wird ebenfalls genutzt, um die Datenübertragungsrate zwischen Messgeräten und PC-Speicher im Vergleich zum herkömmlichen PCI-Bus, der während der vergangenen zehn Jahre auf Desktop-Rechnern verwendet wurde, um das bis zu 30-fache zu erhöhen.
Der Standard PCI Express
PCI Express wurde eingeführt, um die Beschränkungen des ursprünglichen PCI-Bussystems zu überwinden. Der erste PCI-Bus, der von Intel vor über zehn Jahren entwickelt und freigegeben wurde, arbeitet mit 33 MHz und 32 bit mit einer maximalen theoretischen Bandbreite von 132 MB pro Sekunde. Er nutzt eine geteilte Bustopologie, d. h. die Busbandbreite wird auf mehrere Geräte aufgeteilt, was eine Übertragung zwischen den unterschiedlichen Geräten am Bus ermöglicht. Die Weiterentwicklung von Geräten führte dazu, dass neue Geräte, die eine sehr hohe Bandbreite benötigen, sie anderen Geräten am gemeinsamen Bussystem entzogen. Gigabit-LAN-Karten beispielsweise können bis zu 95 % der verfügbaren Bandbreite des PCI-Busses für sich in Anspruch nehmen.
Um die von diesen modernen Geräten benötigte Bandbreite zur Verfügung zu stellen, entwickelte ein Industriekonsortium aus PC- und Peripheriegeräteherstellern das Bussystem PCI Express und begann 2004 mit dessen Einbau in Standardrechnern. Die meisten Desktop-Rechner führender Hersteller verfügen über wenigstens einen Steckplatz für PCI Express. Der auffälligste Vorteil von PCI Express gegenüber PCI besteht in der Punkt-zu-Punkt-Verbindung der Bustopologie. Das gemeinsame Bussystem, das für PCI verwendet wird, wird durch einen Switch ersetzt, der 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.
Abb. 1: Jeder PCI-Express-Steckplatz hat eine bestimmte Bandbreite für den PC-Speicher; bei PCI dagegen wird die Bandbreite aufgeteilt
Es muss ausreichend Bandbreite für Anwendungen wie die Datenerfassung oder die Erzeugung von Signalverläufen vorhanden sein, um zu gewährleisten, dass Daten schnell genug in den PC-Speicher übertragen werden können, ohne dabei verloren zu gehen oder überschrieben zu werden. PCI Express verbessert die Datenbandbreite verglichen mit früheren Bussystemen deutlich und verringert so den Bedarf an integriertem Speicherplatz. Zudem ermöglicht es eine schnellere Datenübertragung. Bei der durch die Spezifikation festgelegten Taktfrequenz von 2,5 GHz erreicht der Bus (mit einem x16-Steckplatz) eine bis zu 30-mal höhere nutzbare Bandbreite als PCI mit 32 bit und 33 MHz. Aufgrund der Fortschritte in der Silizium-Technologie wird hierbei noch eine Zunahme der Frequenz auf bis zu 10 GHz erwartet – dem praktisch möglichen Maximum für Signale bei Verwendung von Kupfer. Wegen der skalierbaren Lane-Topologie von PCI Express können Hersteller von Datenerfassungshardware einen PCI-Express-Steckverbinder mit der Anzahl an Lanes einsetzen, die für die Anforderungen des Geräts benötigt wird.
Kompatibilität mit Hardware und Software
PCI Express ist softwareseitig zu PCI kompatibel, ersetzt jedoch den parallelen PCI-Bus durch einen seriellen Hochgeschwindigkeitsbus. Aufgrund dieser Änderung in der Architektur sind die Anschlüsse selbst nicht kompatibel. Während der Umstellung von PCI auf PCI Express werden die meisten PC-Motherboards jedoch eine Kombination von PCI- und PCI-Express-Anschlüssen bereitstellen. Geräte mit kleineren Steckern können in größere Stecker auf der Hauptplatine gesteckt werden. So werden Hardwarekompatibilität und -flexibilität verbessert. Die Möglichkeit, größere Stecker in kleinere zu stecken, wird allerdings nicht unterstützt.
Durch die PCI-Express-Spezifikation wird ferner vollständige Softwarekompatibilität gewährleistet. Konfigurationsbereich und Programmierbarkeit von Geräten, die mit PCI Express ausgestattet sind, bleiben im Vergleich zur herkömmlichen PCI-Methodik unverändert. Alle Betriebssysteme können auf einer PCI-Express-Architektur booten, ohne dass Veränderungen vorgenommen werden müssen. Beim Booten erkennt das Betriebssystem alle vorhandenen PCI-Express-Geräte und weist ihnen Systemressourcen wie Speicher, I/O-Adressraum und Interrupts zu, um so eine optimale Systemumgebung zu schaffen. Da die physikalische Schicht von PCI Express für die Anwendungssoftware transparent ist, können Programme, die ursprünglich für PCI-Geräte geschrieben wurden, unverändert auf PCI-Express-Geräten laufen, die dieselbe Funktionalität besitzen. PCI- und PCI-Express-Geräte können gemeinsam im selben System genutzt werden. Diese Abwärtskompatibilität der PCI-Express-Software zum traditionellen PCI-Bus ist entscheidend dafür, dass sowohl Lieferanten als auch Anwender ihre bereits in Software getätigten Investitionen wahren können.
Der richtige PC als Host von PCI-Express-Geräten
Die meisten PCs führender Hersteller beinhalten jetzt mindestens einen Steckplatz für PCI Express. Die häufigsten Steckplatzgrößen sind x1 und x16. Der x1-Steckplatz ist ein Universalsteckplatz, der Geräte wie z. B. Datenerfassungskarten der M-Serie für NI PCIe und GPIB-Geräte für NI PCIe aufnehmen kann. Derzeit sind als Serverklasse eingestufte Geräte für x4- und x8-Steckplätze erforderlich, die von Geräten wie der Bilderfassungskarte NI PCIe Camera Link genutzt werden. "Server" ist hierbei nicht mit hohen Kosten gleichzusetzen, denn Turmserver sind zu Preisen erhältlich, die denen von Desktop-Geräten entsprechen. So verfügt beispielsweise der Server Dell SC420 seit Mai 2005 neben drei PCI-Steckplätzen über einen PCI-Express-x1- sowie einen PCI-Express-x8-Steckplatz und ist schon ab 399 € erhältlich.
Abb. 4: Die meisten Hauptplatinen verfügen sowohl über PCI- als auch über PCI-Express-Steckplätze
PCI-Express-Geräte von National Instruments
National Instruments brachte die ersten multifunktionalen Datenerfassungsgeräte, Digitalmultimeter, Bildverarbeitungs- und GPIB-Geräte für PCI Express auf den Markt. National Instruments stellte auch die branchenweit ersten digitalen PCI-Express-Geräte vor, die einen dedizierten Durchsatz von bis zu 200 MB/s liefern. Bei NI PCIe-GPIB handelt es sich um einen GPIB-Controller mit einem PCI-Express-x1-Anschluss. Die Geräte NI PCIe-6537 und NI PCIe-6536 sind Digital-I/O-Karten mit 50-MHz- bzw. 25-MHz-Taktrate, die über den PCI-Express-Bus kontinuierlich Daten mit bis zu 200 MB/s bzw. 100 MB/s übertragen können. Das NI PCIe-4065 ist ein 6½-Stellen-Digitalmultimeter mit einer Isolierung von ±300 VDC/Veff, Strommessungen bis 3 A und 2- bzw. 4-Draht-Widerstandmessungen. NI PCIe-1429 ist ein x4-Gerät für die Bilderfassung mit Camera-Link-kompatiblen Kameras und ist somit die schnellste PC-Steckkarte im Bereich Bilderfassung der Branche. Es bietet eine Bildübertragungsrate von bis zu 680 MB/s (dies entspricht pro Sekunde der Datenmenge, die auf eine CD-ROM passt). Bei NI PCIe-6251 und NI PCIe-6259 handelt es sich um Datenerfassungsgeräte der M-Serie, die neben 32 Digital-I/O-Kanälen mit 10 MHz und vier Analogausgängen mit 16 bit und 2,8 MS/s auch 32 Analogeingangskanäle mit 16 bit und 1,25 MS/s zur Verfügung stellen. Alle diese I/O-Kanäle können gleichzeitig arbeiten, während Daten über einen x1-Anschluss vom und auf den PC-Speicher übertragen werden.
Abb. 5: Die PCI-Express-Geräte der M-Serie bieten Hochgeschwindigkeits-Analog- und -Digital-I/O-Kanäle
Alle Geräte mit NI PCI Express sind abwärtskompatibel zu Software für die entsprechenden PCI-Geräte. Software, die beispielsweise mit der Treibersoftware NI-DAQmx und NI LabVIEW für NI PCI-6251 geschrieben wurde, kann unverändert auf dem Datenerfassungsgerät NI PCIe-6251 ausgeführt werden. Diese Kompatibilität stellt sicher, dass Ihre Investitionen in Software weiterhin erhalten bleiben, während Ihre Hardwareinvestitionen für zukünftige Herausforderungen ausgelegt sind.
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