버추얼 인스트루먼트를 가속화하는 PCI Express

고속 PC 버스 기술은 고성능 버추얼 인스트루먼트에 필요한 대역폭을 제공합니다. 상용 버스 기술이 성능 한계를 뛰어넘으면서 버추얼 인스트루먼트 시스템의 기능도 향상되고 있습니다. 지난 10년에 가까운 시간동안 PCI 버스는 높은 대역폭, 플러그 앤 플레이 주변 디바이스를 위한 표준이 되어왔습니다. 현재, 더욱 빠른 측정 디바이스는 최신 프로세서의 파워를 활용할 수 있는 PC 메모리에 스트리밍하기 위해 더욱 큰 대역폭이 필요합니다. 더욱 빠르고, 확장가능한 디바이스 인터페이스 버스에 대한 요구가 증대함에 따라, PC 및 주변기기 벤더에서는 PCI의 차세대 버전인 PCI Express용 제품을 개발, 보급하고 있습니다.

PCI Express 실리콘은 광범위한 사용가능성, 성능 및 저가로 인해 테스트 및 측정 어플리케이션에 이상적입니다. 버추얼 인스트루먼트는 향상된 대역폭 및 확장성을 활용하는 동시에 기존 소프트웨어와 호환성도 유지합니다.

대역폭을 배로 향상하는 PCI Express
버스 대역폭은 프로세서 속도, 아날로그-디지털 속도 및 디바이스 대역폭 등에 비해 그 중요성이 등한시되어 왔습니다. 그러나 리얼타임 분석 및 확인을 위해 PC 메모리에 데이터를 얼마나 빠르게 스트리밍할 수 있는가를 결정하는 것은 데이터 버스 대역폭입니다. 버스는 자동차의 트랜스미션에 유사합니다. 다시 말해, 트랜스미션 없이는 엔진의 마력을 도로로 이동시킬 수 있는 방법이 없는 것처럼 버스도 마찬가지입니다. 여러 고속 인스트루먼트가 고가의 온보드 메모리를 요구하는 이유는 버스 대역폭이 부적절하기 때문입니다.

그림 1. PCI Express 버스는
기존의 PCI 및 기가비트 이더넷에 비해 최고 30배 빠릅니다.

PCI Express는 기존의 PCI와 같은 기존의 주변 버스 한계를 극복합니다. PC 및 디바이스에 실행된 초기 PCI Express 스펙은 32비트, 33 MHz PCI의 최대 30배의 대역폭을 제공합니다. 실리콘 기술이 향상됨에 따라 대역폭은 4배 증가하게 됩니다.

이더넷, USB, 및 기존 PCI 버스는 공유 버스 토폴로지를 사용합니다. (버스의 모든 디바이스는 고정된 동일한 양의 대역폭을 공유합니다.) 본 제약으로 인해 PCI 기가비트 LAN 카드와 같은 고대역폭 디바이스는 PCI 버스 대역폭을 독점하며 버스상의 다른 디바이스를 제한합니다. PCI Express는 본 공유 버스 토폴로지를 디바이스가 서로 연결된 공유 스위치 토폴로지로 대체합니다. 이렇게 되면 각 PCI Express 슬롯에 각 전용 데이터 파이프라인을 제공하므로 디바이스가 대역폭을 독점하는 것을 방지합니다. 또한, 기존의 PCI와는 달리 PCI Express 대역폭은 확장 가능하므로 디바이스 벤더들은 디바이스 요구 조건에 가장 적합한 대역폭 양을 제공하기 위해 데이터 레인을 추가할 수 있습니다.

PCI Express 내부 기술
새로운 PCI Express 아키텍처에서 데이터는 방향당 250 MB/s 대역폭을 수용하는 레인이라고 불리는 송신, 수신 와이어 쌍을 통해 패킷으로 시리얼로 보내집니다. 고속 도로와 마찬가지로 레인을 한데 모으면 트래픽의 흐름을 증가시킬 수 있습니다. 가장 일반적인 레인 구성은 x1 ("by one"으로 발음), x4, x8, 및 x16입니다. 사용 가능한 대역폭은 레인 수와 비례하므로 레인이 두 배 많은 디바이스는 신호 쌍을 두 배 더 사용하며 대역폭을 두 배 더 제공합니다.

그림 2. 대역폭을 공유하는 기존 PCI와 달리 각 PCI Express 슬롯은
PC 메모리에 대한 전용 대역폭이 있습니다.

PCI Express는 시리얼화된 데이터 전송 아키텍처가 있어 기존 PCI 버스의 병렬 아키텍처보다 실행이 더욱 단순하며 비용 효율적입니다. 예를 들어, 일반 64비트 PCI-X 버스는 여러 보드 레이어에서 127개 신호 핀을 요구하며, x4 PCI Express 슬롯은 2배의 대역폭을 제공하며 16개의 핀만을 요구합니다. 또한, PCI Express 칩셋의 가격은 기술 채택이 계속 진행됨에 따라 낮아질 전망입니다.

하드웨어 및 소프트웨어 호환성
PCI Express는 기존 PCI 물리적인 버스를 고속 (2.5 GB/s) 시리얼 버스로 대체합니다. 본 아키텍처 변경 때문에 커넥터는 호환하지 않습니다. 그러나, 기존 PCI에서 PCI Express로의 전환을 돕기 위해 대부분의 컴퓨터 마더보드는 PCI와 PCI Express 커넥터가 통합된 형태를 제공합니다. PCI Express 스펙은 또한 더욱 소형 커넥터를 가진 디바이스가 마더보드의 더욱 큰 호스트 커넥터로 플러그되도록 하므로 하드웨어 호환성 및 유연성이 향상됩니다.

그림 3. 대부분의 마더보드는 호환성을 위해
PCI와 PCI Express 슬롯을 모두 탑재합니다.

PCI Express 스펙은 또한 소프트웨어 호환성을 보장합니다. PCI Express 디바이스 구성 공간 및 프로그램 가능성은 기존의 PCI 방식에서 변경되지 않았습니다. 사실상 PCI Express 아키텍처에서 수정을 가하지 않고 모든 OS를 부팅할 수 있습니다. 부팅시 OS는 모든 PCI Express 디바이스를 감지하며, 그 후 메모리, I/O와 같은 시스템 리소스를 할당하며, 최적의 시스템 환경을 조성하기 위해 인터럽트를 가합니다. 또한 PCI Express 물리 계층은 어플리케이션 소프트웨어에 투명하므로 기존 PCI를 위해 작성된 프로그램을 동일한 기능을 가진 PCI Express 디바이스에 변경없이 사용할 수 있으며, PCI와 PCI Express를 함께 동일한 시스템에서 사용할 수 있습니다. 기존 PCI와 PCI Express 소프트웨어의 이러한 호환성은 벤더 및 사용자 모두의 소프트웨어 투자 보호에 매우 중요합니다.

NI PCI Express 디바이스
내쇼날인스트루먼트는 PCI Express를 위한 업계 최초의 GPIB, 이미지 수집, 및 데이터 수집 디바이스를 도입하였습니다. NI PCIe-GPIB는 x1 PCI Express 커넥터가 있는 GPIB 컨트롤러입니다. NI PCIe-1429는 Camera Link 카메라로 이미지를 수집하기 위한 x4 디바이스로써 최고 680 MB/s으로 이미지를 스트리밍할 수 있는 업계 최고 속도의 플러그 인 이미지 수집 디바이스입니다. 새로운 NI PCIe-6251 및 NI PCIe-6259는 M 시리즈 데이터 수집 디바이스는 10 MHz 디지털 I/O의 32개 채널 및 16비트, 2.8 MS/s 아날로그 출력의 4개 채널 뿐만 아니라 16비트, 1.25 MS/s 아날로그 입력의 최대 32개 채널을 제공합니다. 이러한 모든 I/O는 x1 커넥터에서 PC 메모리로/부터 데이터를 전송하는 동안 동시에 실행됩니다.

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테이블 1. 내쇼날인스트루먼트는 PCI Express를 위한
GPIB, 이미지 수집, 데이터 수집 디바이스를 도입한 세계 최초의 기업입니다.

모든 NI PCI Express 디바이스는 PCI 디바이스를 위해 제작된 소프트웨어와 하위 호환합니다. 예를 들어, NI PCI-6251 데이터 수집 디바이스를 위한 NI LabVIEW 및 NI-DAQmx 드라이버 소프트웨어는 NI PCIe-6251 디바이스에서 변경없이 작동합니다. 따라서 소프트웨어 투자를 보호하는 반면 미래를 대비한 하드웨어 투자가 가능합니다.

그림 4. 새로운 NI PCI Express M 시리즈 디바이스는
고속 아날로그 및 디지털 I/O를 제공합니다.

PXI Systems Alliance는 또한 PXI Express를 구축하기 위해 PCI Express를 PXI에 통합합니다. PXI 시스템 및 디바이스는 PCI Express의 향상된 대역폭의 혜택을 누릴 수 있으며, 특히 고속 디지타이저 및 디지털 I/O 디바이스와 같은 데이터 집약 디바이스에 적합합니다.

PXI Express에 대한 더욱 자세한 정보는 "대역폭 45배 향상시키며 호환성을 유지하는 PXI Express"를 살펴보십시오.

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