PXI 系統中的資料串流架構

一般情況下，儀控系統即建置了有限的資料串流。可透過匯流排控制 PC 的獨立儀器界面，將缺少維持傳輸率的頻寬，使儀器持續以高取樣率或更新率進行擷取或產生。舉例來說，主要以獨立示波器所執行的擷取動作將極為有限。擷取作業的時間長短，是由示波器所內建的記憶體總數所決定。在完成擷取之後，將傳輸資料至控制的 PC。在相同的方法中，透過獨立的任意波形產生器，則可下載波形至裝置的內建記憶體，並將再次產生此單一波形，或從裝置記憶體中輸出。 PXI 平台以高頻寬的 PCI 與 PCI Express 匯流排為基礎，可使儀器進行資料串流，或串流自其他內建記憶體與來源。爲了檢驗上個範例，因為可依極高傳輸率 (最高 2 GBytes/s)，透過 PCI 或 PCI Express 匯流排，從內建記憶體即時傳輸資料，因此 PXI 示波器可於高取樣率進行連續擷取；在該資料自裝置記憶體傳輸出來之前，可保證該筆資料不會遭到覆寫。 在檢驗可於 PXI 系統中建置的資料串流架構之前，則應先了解 PCI 與 PCI Express 匯流排進行串流的方式。

以 PCI 匯流排串流資料

PCI 為平行匯流排。於PXI 中使用最普遍的建置規格，為包含33 MHz 時脈的32 位元頻寬。此結果是以理想最大頻寬132 MB/s (可維持約110 MBytes/s) 為基準。因為匯流排為平行架構，匯流排所連接的所有裝置將共享其頻寬。從PCI 裝置所擷取的資料，將透過PCI 匯流排、PCI 控制器，與I/O 匯流排，從內建記憶體傳送出去置系統記憶體(RAM)。稍後並可透過 I/O 匯流排，從系統記憶體傳輸至硬碟。CPU 將負責管理此程序。由 PCI 裝置所產生的資料將依相反的傳輸方向。此外，亦可進行PCI 匯流排2 個裝置之間的同儕運算(peer-to-peer)。圖1 顯示PCI 架構系統的資料串流架構，如PXI。

圖1. PCI 架構系統的資料串流架構，如PXI

以 PCI Express 匯流排串流資料

PCI Express 為進化的PCI 匯流排，以高速的(2.5 Gbits/s) 序列匯流排取代平行匯流排，並維持PCI 的軟體相容性。PCI Express 以稱為Lane 的差動訊號對(Pair) 傳輸資料；每Lane 將提供每方向250 MBytes/s 的頻寬。多重Lane 可為群組，並提供一般連結的1 倍、4 倍、8 倍，與16 倍的頻寬。一組16 倍的連結可提供每方向4 GBytes/s 的頻寬。不同於匯流排上所有裝置共享頻寬的PCI 架構，每PCI Express 裝置均具有專屬頻寬。PXI Express 支援最高6 GBytes/s 的系統總頻寬(控制器至背板)，與最高2 GBytes/s 的每擴充槽專屬頻寬(背板至模組)。

由PCI Express 裝置所擷取的資料，將透過專屬的PCI Express 連結與I/O 匯流排，從內建的裝置記憶體傳送至系統記憶體。稍後並可透過 I/O 匯流排，從系統記憶體傳輸至硬碟。CPU 將負責管理此程序。由 PCI Express 裝置所產生的資料，將依相反方向進行傳輸。PCI Express 裝置之間亦可進行同儕(Peer-to-peer) 資料串流。圖2 顯示PCI Express 架構系統的資料串流結構，如PXI Express。

圖 2. PCI 架構系統的資料串流結構，如 PXI

PCI 與PCI Express 為高頻寬匯流排，可於PXI 儀控與資料擷取系統中，建置大量的資料串流架構。這些架構包含：

• 裝置記憶體
• 控制器記憶體
• 控制器硬碟 (包含 RAID 陣列)
• Direct-to-disk 控制器

裝置記憶體

如先前所述，從儀器上將所擷取的資料串流至裝置內建記憶體，或從裝置內建記憶體產生資料至儀器，為最普遍的資料串流架構。因為記憶體位於裝置本端，資料亦不需透過匯流排進行傳輸，因此可依儀器的最高取樣率或最高更新率，寫入至記憶體或由記憶體中讀取。此外，因為資料串流是以內建的FPGA 或ASIC 所執行，因此需要系統控制器進行最低的處理程序(請見圖3)。由於支援此資料串流架構的應用程式設計介面(API) 為一般使用案例，因此極為簡單易懂。

圖3. NI PXI 示波器的功能程式區

串流資料至裝置記憶體或從記憶體中串流出去的主要缺點，即為有限的深度。有限深度需要平衡的取樣率或更新率，與記錄或倒轉 (Playback) 期間。NI PXI 模組可達每通道最高512 MBytes 記憶體。透過8 位元示波器的200 MSamples/s 取樣率，僅需2.5 秒即可填滿記憶體。若要將裝置記憶體整合至儀器，為另一種設計挑戰，所以裝置記憶體亦較標準PC 記憶體來得昂貴。

控制器記憶體

與內建的裝置記憶體相較，PXI 系統中的記憶體(RAM) 較具有深度。嵌入式控制器可搭配使用最多4 GBytes 記憶體，或於PC 中遠端控制PXI 系統。由於控制器記憶體為標準的 PC RAM，所以價格低於裝置記憶體。

跨過PCI 或PCI Express 匯流排、透過PCI 控制器(以PCI 而言)，並跨越I/O 匯流排，才有可能從裝置記憶體串流至控制器記憶體。若從控制器記憶體串流出資料，則為相反路徑。透過PXI 模組，PCI 匯流排將限制資料串流率約至110 Mbytes/s。使用PXI Express 模組，將以最小的PCI Express 連結頻寬，由相關元件(機箱、控制器，或模組) 最大化資料串流率(請見圖4)。舉例來說，由4 倍速機箱、4 倍速控制器，與1 倍速模組所構成的系統，模組將因特定的擴充槽，限定最高資料串流率至250 Mbytes/s。某些處理程序將針對擷取作業，以控制器管理從裝置記憶體傳輸資料至控制器記憶體；或針對產生作業，從控制器記憶體傳輸資料至裝置記憶體。

圖4. 透過PXI Express，特定擴充槽的最高資料串流率，將受到元件(機箱、控制器，或模組) 的最低PCI Express 連結頻寬所限制

控制器硬碟

PXI 控制器硬碟，可針對儀器與資料擷取模組之間的資料串流，提供低價位的儲存方式(一般所熟知的為串流至磁碟，與從磁碟中串流出來)。硬碟可內建於嵌入式控制器、機架固定控制器、由PC 遠端控制的PXI 系統、透過PXI 或PXI Express 週邊模組外接至系統，或可置於ExpressCard 擴充槽中的ExpressCard 模組(請見圖5)。不論是透過PXI Express 或ExpressCard 模組，PCI Express 匯流排可為I/O 匯流排與硬碟之間的介面。

圖5. 許多包含ExpressCard 槽的PXI 與PXI Express 嵌入式控制器，可透過PCI Express 匯流排，介接至外部硬碟

跨過PCI 或PCI Express 匯流排、透過PCI 控制器(以PCI 而言)，並跨越I/O 匯流排，才有可能從內建的裝置記憶體串流至控制器硬碟。若從控制器記憶體串流出資料，則為相反路徑。針對擷取，控制器必須管理從裝置記憶體至控制器記憶體的資料傳輸，或針對產生，則必須管理從硬碟至控制器記憶體與裝置記憶體的傳輸。不論硬碟為外接或內建硬碟，資料的寫入速率或讀取速率，均將影響資料串流速率。若要提升速率，可對多重硬碟使用RAID-0 陣列。RAID 意即獨立磁碟備援陣列。透過於多重硬碟之間平均分散資料，RAID-0 陣列可提升寫入至硬碟，或從硬碟中讀取資料的速度(請見圖6)。舉例來說，以2 個SATA II 硬碟的RAID-0 陣列，所設定的NI PXI-8351 或PXIe-8351 機架固定型控制器，從資料擷取模組儀器串流至磁碟的速率，最高可達80 Mbytes/s。

圖6. 透過於多重磁碟之間平均分散資料，RAID-0 陣列可提升寫入至硬碟，或從硬碟中讀取資料的速度。

Direct-to-disk 控制器

當於PXI 系統中，從控制器記憶體與硬碟之間進行資料串流時，PCI 控制器(以PCI 為例)、I/O 匯流排、控制器記憶體，與處理器均共享資料路徑，亦降低了資料串流頻寬。此外，作業系統、驅動程式，與應用程式，均將管理資料流動潛時(Latency)。同時，作業系統的檔案I/O 管理亦非決定性管理。

若要克服這些極限，則可用Direct-to-disk 控制器搭配PXI 儀器、PXI Express 儀器，與資料擷取模組，透過穩定的高速率，直接記錄或回溯硬碟陣列的資料。透過PXI 或PXI Express Direct-to-disk 控制器模組，將從內建於儀器的裝置記憶體，經過PCI 或PCI Express 匯流排，直接串流資料至擷取作業的Direct-to-Disk 控制器(請見圖7)。針對產生，可從Direct-to-Disk 控制器模組，經過PCI 或PCI Express 匯流排，直接串流資料到儀器內建的裝置記憶體。

圖7. Direct-to-disk 控制器以穩定的高傳輸率，直接記錄並回溯硬碟陣列的資料

PXI 平台的Direct-to-Disk 控制器範例之一，即為Conduant StreamStor。StreamStor PXI-808 模組可搭配使用PXI 儀器，以穩定的110 Mbytes/s速率，直接記錄或回溯資料。針對擷取作業，儀器驅動程式可讓PXI 儀器透過PCI 匯流排，從裝置記憶體直接寫入資料至映射到StreamStor 控制器的記憶體位址；該記憶體可寫入資料至最多8 個400 GByte SATA 硬碟的組(Bank)，總儲存容量最高3.2 兆位元組(TB) 的資料(產生作業將依循相反方向)。圖8 表示包含1 組StreamStor Direct-to-Disk 控制器的PXI 儀控系統。

圖8. 包含1 組Conduant StreamStor Direct-to-Disk 控制器的PXI 儀控系統

針對使用PXI 儀控與資料擷取系統的Direct-to-Disk 控制器，若需要更多相關資訊，請參考整合Real-Time 記錄器以建置兆位元組(TB) 的儀控白皮書。

結論

PXI 平台是以高頻寬PCI 與PCI Express 匯流排為基礎，可讓儀器從來源串流出資料，或串流資料至內建的裝置記憶體，如控制器記憶體、控制器硬碟，與Direct-to-Disk 控制器。透過個別儀器最高2 GBytes/s 的頻寬，PXI 可進行獨立儀器所無法達到的資料串流應用。

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軟體：

• NI TestStand 測試管理架構
• LabVIEW 圖形化程式設計環境
• Signal Express 互動式量測軟體

硬體：

• 模組化儀器 (示波器、多功能數位電表、RF、切換器....)
• 多功能資料擷取卡
• PXI 系統元件 (機箱與控制器)
• 儀器控制 (GPIB、USB，與 LAN)

白皮書
NI 提供設計下一代測試系統開發指南.此份指南收集了白皮書的內容，針對開發測試系統所設計，可降低成本、增加測試輸出率，並可搭配未來的需要。若要閱讀整份開發指南，可以：下載 PDF (共90 頁以上) 文件，或檢視網路版的設計下一代測試系統開發指南.