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破除“万能总线”的神话,达成理想的测试系统!

上网日期: 2006年11月23日 ?? 作者: Faya Peng ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:测试? 总线? 带宽? 虚拟仪器?

万能总线技术存在吗?许多公司宣称其总线技术可以用作万能总线,能够满足所有应用需求。但事实上,每种总线技术都有各自的优缺点,适合不同的应用场合。

历史表明,用一个所谓的万能总线来适用于各种设备的主张是徒劳的。虽然IEEE-1394(火线)距离商用化还有一年时间,因为非常相信火线的能力,惠普公司反对进一步改进已被广泛接受的IEEE-488标准。

惠普公司当时公开要求IEEE成员反对提高于1997年12月发布的IEEE-488标准的带宽,惠普公司认为“火线具有更好的前途,可以提供比建议的IEEE-488修改版大得多的带宽。为了提高速度,计算机行业已经在开发优秀的解决方案,为什么我们还要在尚有疑问的IEEE-488的扩展上投入巨资呢?”

自IEEE-488标准发布以来,该标准一直在满足许多用户的需要(而改进的IEEE 488.1-2003版本将速度提高了8倍)。与此同时,用户也已经认识到了IEEE-1394的局限性。虽然IEEE-1394在高速连接数字摄像机方面是一种非常有效的总线技术,但它在其它设备中却得不到广泛的认可。

虽然每种总线技术都有显著的优势,但认为某种总线没有缺点或局限是言过其实的夸夸之谈。理解各种总线的优势,对测试设备与测量系统的设计师们是非常有益的。

实际应用中,系统通常包含多条通信总线,它们是综合系统中软件的基础框架,通过它们将各种完全不同的技术有机整合在一起。目前已经有许多高速数据总线可用于测试与测量设备。本文将介绍影响这些通信总线应用的一些特性,并对几种流行技术进行比较。

为了评估各种总线技术是否适合某种应用,工程师必须考虑总线的关键属性,例如延迟时间、带宽、软件支持能力、通信距离和实用性等。特别是延迟时间和带宽对性能有很大的影响。延迟时间是指数据在总线上传输的延时,而带宽代表数据在总线上发送的速率,通常以MB/s表示。

如果将测量总线比作高速公路的话,延迟时间则与公路上的红灯数量有关,而带宽则与公路的宽度和车辆行驶速度有关。延迟时间将对像数字万用表(DMM)测量、开关测量等应用产生直接的影响。而带宽在波形产生和采集以及射频测量等应用中非常重要。图1对不同总线的延迟时间和带宽作了比较。


图1:满足许多不同应用需求的总线性能

软件支持是一个很重要的因素,因为通过合适的工具可以进行硬件参数提取,并降低将各种仪器整合成一个完整测试系统的难度。如果测量总线规定了标准的驱动软件,工程师就可以充分利用这些标准驱动程序进行编程,进而降低系统的整合难度。

另外一个需要考虑的因素是支持的距离。像天线范围测量这样的应用就可能要求测量组件之间保持一定的距离。另外,工程师应该考虑从PC到总线连接的可用性以及针对特定总线的仪器可用性。最后,要考虑选用这种测量总线的仪器成本。

非常适用于测试和测量设备的PCI Express是从PCI总线发展而来的一种总线。与PCI相比,PCI Express的带宽有了很大的提高,每个方向的信道速率可以达到4GB/s,同时在软件上仍兼容于PCI。USB接口,由于其使用范围宽和其即插即用的方便特性,目前也深受大众欢迎。LAN作为一种总线特别适用于分布式应用场合。最后还有GPIB总线,也是一种非常成功的测量总线,因为它具有相对较低的延迟时间,因而适用于很多类型的仪器。

PCI Express总线不仅具有速度快、采用模块化硬件架构以及与PCI兼容的特性,而且还具有低的延迟时间和更高的总线带宽。而且与PCI、LAN、USB和GPIB不同的是,PCI Express总线带宽不是共享的。这种高带宽可以实现许多新的应用。PCI Express x1在每个方向的通道速率可以达到250MB/s,而x16的通道速率更是高达4GB/s,是PCI的24倍。随着虚拟仪器的逐渐普及,如此高的带宽将显得特别有用。

工程师可以利用虚拟仪器技术,与模块化硬件、开发软件和PC技术相结合来创建用户定义的系统。相对于供应商定义的箱式仪器,软件定义方案则具有更大的灵活性。因为这种方法基于具有更强功能和更快速度的PC技术。模块化硬件将仪器分解成单个测量部件,工程师可以根据需要组合这些部件,从而设计出他们自己特定要求的测量仪器。这种分解要求为部件之间的数据流提供高性能的数据链接。而更高带宽的PCI Express正好可以用来满足部件之间的这种高数据流速率。另外,PCI Express还能改善点对点通信性能,因此系统中的仪器相互间可以借助PCI Express进行快速便捷的通信。最后,PCI Express在设计时就考虑到了兼容性问题。由于采用了精心设计的分层架构,PCI Express能确保与未来产品的兼容性,并且在软件上兼容PCI。正是这些更高的性能、模块化硬件架构以及良好的兼容性,使得PCI Express能够满足许多新的应用。

PCI Express传递架构

PCI Express采用分层架构,如图2所示。从底层开始分别是物理层、数据层、事务处理层、软件层和OS层。


图2:PCI具有分层式架构

PCI Express在物理层引入了多通道概念用以增加系统带宽。基本物理层由一个双单工信道组成,其中一个用于发送而另一个用于接收,从而组成一个通道。每个PCI Express信道具有2.5GB/s的初始化速度,能在每个方向上提供约250MB/s的标称带宽,这与大多数典型的PCI设备相比提高了2到4倍。与PCI中所有设备共享总线带宽不同,这个带宽是提供给每个设备专用的。通过增加信号对形成多通道,可以线性调整PCI Express的链路带宽。物理层能提供x1、x2、x8、x12、x16和x32的通道带宽,从概念上讲,是将输入数据包平均分配到多个通道上。因此未来性能的增强、编码技术或媒体介质的改变将只影响物理层。

链路层保证数据包在PCI Express链路上的可靠传输。通过使用基于信用机制的流量控制协议,PCI Express可以确保只有在接收端缓存器具有可用的空间来接收时,才发送数据包,从而避免发生任何数据包重传以及因资源约束条件而造成的总线带宽的浪费。当信号遭到破坏时链路层将自动重传数据包。

事务处理层采用基于数据包协议。事务处理层接收来自软件层的读写请求,创建请求包并发送给链路层。所有请求均按照分离的事务来实现,一些请求数据包要求一个响应包。事务处理层也接收来自链路层的响应包,并与原始的软件请求进行匹配。每个包都有一个唯一的识别符,因此可以使响应包直接指向正确的始发点。

PCI Express的软件兼容性特别重要。其软件层仍保持兼容PCI的寻址模式,因此可以确保现有的设备和驱动程序不用修改仍能正常工作。PCI初始化模型在PCI Express架构中也不用修改,在上面运行的操作系统可以自动发现所有存在的附属硬件设备并配以系统资源,因此在采用PCI Express总线的机器上所有操作系统不用修改即可正常启动。PCI Express架构还保留了PCI使用的运行时间库软件模型,因此所有现有软件也无需任何修改即能正常运行。

由于可用带宽高、性价比好,又是基于获得广泛使用的PCI技术,目前,PCI Express已经得到了广泛的商用。由于能够满足视频卡和数据存储应用不断增长的带宽需求,PCI Express正在成为深受人们欢迎的技术。另外,象Intel和Dell等大公司的巨额投资也进一步加强了PCI Express的普及,使PCI Express的成本不断下降。另外,PCI Express的普及还受益于与上亿个现有PCI接口的软件兼容性。

随着PCI Express的商用化,工程师还有望将PCI Express用于测试与测量。PCI Express技术将被供应商用于测试与测量领域,因此工程师可以从测试仪器的性能改进中获益。随着PCI Express技术在PC市场中的普及,CompactPCI和PXI制造商已经开始将PCI Express集成到其规范中。虽然产品可能明年才能出来,但在PCI工业计算机制造小组(PICMG)的努力下,规范已接近完成。PCI Express的商用化和更高带宽将促进PCI Express在测试与测量领域中的普及。

CompactPCI和PXI不仅利用PCI Express,而且提供与Compact PCI Express和PXI Express的兼容性。在PCI Express软件兼容性的基础上,PXI提供的标准软件框架将支持PXI Express。为了提供硬件兼容性,新的CompactPCI Express规范定义了一种新的混合扩展槽,允许工程师在该槽中安装PCI或PCI Express架构的模块卡。利用这一技术,工程师和供应商就可以通过软硬件兼容性来保护对PXI系统和产品的已有投资。

未来的PCI Express。由于设计时考虑了未来的带宽需求,今后新一代PCI Express总线还具有进一步增加带宽的潜力。由于采用了分层架构,可以在规范中规定通过物理层配置来增加带宽。最初的第1代信令频率是每方向2.5GB/s。随着硅片技术的发展,这一参数有望提高至每方向10GB/s,达到铜线可以传输的最大极限速率。

高速视频采集就是采用PCI Express的应用案例之一。过去,工程师作选择时,必须面对较窄的带宽和数据传输可靠性较差的现实,或者使用非常昂贵的专用系统才能满足带宽需求。有了PCI Express提供的出众带宽,工程师不再需用上述专用系统就能以更高的精度采集高速视频,并完成实时事件的表述。例如,工程师现在可以使用NI的PCIe-1429图像采集卡以680MB/s的速率采集数据,而过去只能使用昂贵的板上存储器阵列进行短时间的图像采集。

USB接口

由于USB非常方便的即插即用特性、高带宽能力以及USB端口的适用范围宽,USB已经在许多测试与测量设备中得到广泛应用。从USB鼠标或记忆棒的使用就可以看出USB是如何简化计算机外围设备的连接和配置并受益于即插即用性能的。USB2.0的发布确立了新的高速设备类型,其最大传送速率可达480MB/s。

随着计算机上USB端口的普及,充分利用这种方便的连接和配置性能, 工程师可以在系统中快速集成USB设备。许多USB设备价格都比较低,非常适用于便携测量、笔记本或台式机的数据记录以及车内的数据采集/记录。

在低成本、便携式数据采集系统中,工程师可以使用USB数据采集设备在台式电脑上开发测量设备,然后移植到笔记本上实现现场测量。举例来说,利用NI公司带4个隔离式热电偶输入的USB-9211模块,工程师可以轻易地开发高性价比的便携式电压与环境测量系统。

LAN接口

LAN在测试设备中已经使用了许多年了。由于LAN能够支持较长的距离要求,LAN非常适合分布式应用或远端监控。100BaseT LAN在没有中继的情况下最长可支持85米,采用中继器后基本没有距离的限制。针对IEEE 488 TCP-IP命令的软件标准,如VXI-11,为基于消息的LAN仪器之间的通信提供了标准协议。

通过LAN接口,工程师把传统的仪器连接在一起,进行大范围的低频监视或分布式测量。LXI(针对仪器的扩展LAN)是一种正在制定中的规范,主要为卓越的各种LAN仪器增加触发标准和兼容性标准。最新的千兆以太网标准将增加LAN仪器的带宽,但总线延迟时间的改善效果不大。因此,LAN仍最适合中等吞吐量的应用,例如低速分布式数据记录和传统的仪器控制。

工厂监视和自动化就是LAN应用的一个例子。由于可以支持任何距离需要,LAN允许工程师方便地设计出能够监视和控制阀、传动装置和遍布工厂楼层的传感器系统。工程师可以利用LAN支持和维护广域范围内的这种低频监控系统。

混合系统

混合多平台测试系统能够将来自多种ATE平台(如PXI、PCI、GPIB、USB和以太网)的设备整合进一个系统中。将多种总线成功整合进同一个系统中时,一个重要任务就是建立如图3所示的分层系统架构。利用这种架构创建的系统,可以最大地发挥已有软硬件投资价值,同时仍能整合新的总线技术。这种架构的关键部分是上面三层,即软件框架,它简化了多种总线的整合、配置和编程。


图3:可以满足许多领域需求的PCI业务分层

这样,工程师就可以充分利用某种总线在某种应用方面的优势来满足多种要求。例如在射频通信应用中,工程师可以充分利用PXI和PXI Express的更高带宽、更严格时序和同步性能,来连接下变频器和数字转换器,然后通过LAN连接多个相似的测量设备来满足距离方面的要求。通过整合多种总线,工程师可以充分发挥各种总线的优势而创建出更理想的测试系统。

作者:Faya Peng

产品工程师

美国国家仪器公司

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