PXIe知多少？—PXIe总线及PXIe机箱

之前小节我们有分享PXI总线背景及PXI机箱的情况，本节将为大家介绍PXI Express总线相关内容。

PXI Express

由于对电脑速度需求的增长，PCI总线越来越成为系统的瓶颈，从并行总线建立分支的系统结构也越来越难以适应电脑性能的提高。

此瓶颈通过高速串行接口得以突破，PCIe通过成对的数据线传送信号，通常称作PCIe通道(PCIe lane)。单个通道并不比一个64位 33MHz PCI接口更快，但是可以同时建立多个通道以提高数据传输速率，四通道是早期比较主流的配置形式。串行总线连接的形式是点对点的，所以每个连接仅承载线路两端设备间的数据(以及由这些设备扩展而出的设备的数据)并且不会出现一端悬空的连接以避免高速数据的波形发生畸变。通过这些技术进步使每个通道的速率得以提升。这种串行接口系统先天比并行总线具有更好的扩展性。

图2.1－PCI Express

PCIe第1版规定每通道的基准速率为2.5Gb/s(解码后2.0Gb/s)，随后的升级规范进一步提高了数据传输速率并且增加了通道的数量从而可以提供更高的数据带宽。同时提供了对用户透明的降速机制以应对高速设备与下游低速设备(因规范版本或通道数量不同)相连接的情况。

数据连接速率依赖于机箱、机箱插槽以及模块，通常数据传输速率越高相应的实现成本也越高。除了这些，用户实际上并不需了解PCIe接口上数据管理的过程。

系统为树状结构，一个单一的PCIe连接在此结构下扩展为多个连接，并可以进一步扩展更多下级连接。处于主干的分支(源于根复合体，Root Complex)的连接需要较大的带宽以支持更多下游设备的数据流。

与PCI类似，所有信号流均需出入于根复合体，实际速率同时取决于PCIe接口和控制器处理所有数据和驱动程序的能力。在PXI规范中添加了PCIe而称为PXIe。与PXI和PCI的关系相同，PXIe规范中也包含了测试测量领域所需要的各种扩展特性。

PXIe总线枚举

PXIe机箱中的总线枚举过程与PXI机箱略有不同。在PXI机箱里设备的位置是靠总线分段(Bus Segment)与总线设备(Bus Device)两个参数决定的，因为每一个总线分段都可以支持多个外围模块。在PXIe中，每个通道端点只有一个设备，使得每个设备的连接都是一个总线分段，并且还有更多设计用于总线扩展的分段，因此使得PXIe系统中天然比PXI系统包含更多的总线分段，这在某些情况下可能会出现问题，某些采用快速引导设计的控制器可能无法完全枚举整个PCIe总线系统。基于这个原因，PXI的制造商通常推荐有限范围的控制器应用于PXIe，此范围所指定的为型号而非PC制造商。PC制造商的不同型号产品可能具有不同的枚举能力。

PXIe机箱

P1 承载32位PCI总线 (PXI) P2 承载高32位PCI总线 (PXI)，触发，本地总线 XP2, XP3 承载 PXI Express 接口
XP4 相当于 P2 连接器上半部分 XJ1 PXI Express 系统槽连接器 TP2 PXI Express 定时槽连接器(TP1 可选)
图2.2－PXIe背板

PXIe机箱采用与PXI机箱类似的机械结构，但是PXIe模块与背板的连接在电气和机械方面都有所不同。在本书后续章节中会详细介绍一个机箱可以同时支持PXIe和PXI模块。为了简单起见，以下所述均为纯PXIe机箱并仅指3U形式而不涉及6U形式。每个插槽下面的符号标记与PXI有所区别，因此可以清晰地辨识为PXIe插槽，PXIe用深色背景和白色插槽号码而PXI用浅色背景和深色插槽号码。

图2.3－展示了插槽形式和一个模块的PXI Express机箱

背板

PXIe背板采用PCIe连接而不是PCI连接来提供控制接口。PCIe连接大体上允许任意一PCIe(GEN1,GEN2,GEN3)并且允许每个槽位中包含不同数量的连接通道。这又是一个与PXI的重要不同，即不是所有的插槽都是相同的。如果用户需要使用高数据连接速率的模块就需要将其安装于高数据带宽的槽位。如果将低数据速率的模块安装在高数据速率的插槽上，PCIe将调节数据带宽来适应模块，如果高数据速率的模块安装在低数据速率的插槽上，那么模块将以插槽的速率上限来运行。某些机箱包含一种配置背板通道连接的方法来提供更好的灵活性。具体地说，允许把通道汇聚在在某些接口中，因此需要大数据量的模块就能获得比其它槽位更高的带宽。在PXIe背板的实现上还有很多其它的细节区别，例如在10MHz时钟外增加了100MHz时钟。触发系统基于点对点差分信号而不是多路单端信号。只有一个本地总线用于连接相邻模块，所以制造商已经取消了对本地总线的依赖。

机箱电源

背板将机箱电源供应给模块。PXIe机箱为外围模块槽位和定时槽位模块提供2种电源轨而不是像PXI提供4种，分别是+3.3V和+12V，而系统控制器槽还需要+5V。下面的表格显示了机箱必须供应给插槽的最小功率。
表2.1－PXIe机箱电源

注意：
• 系统控制器电流可支持3槽或更多槽的产品。
• 机箱电源必须保证每个电源轨可以同时为每个插槽的供电都达到最低要求——因此机箱总电源的最低要求必须保证能够供应至少1个系统控制器槽加上外围设备插槽的最低电源需求乘以插槽数量。
• 背板必须能够同时传送更多的电流(相比较于前述对每种槽位的最低供电需求)。然而，机箱主电源通常不能同时为所有槽位供应过大的电流。背板限制了每个槽位在安全使用条件下的最大电流。
• 对于混合机箱的要求请参见混合机箱部分。

系统插槽

系统插槽可以用于安装嵌入式计算机或远程控制器接口模块(包括基于外部线缆PCIe标准的模块)。注意此控制器槽与用于PXI的不同，这两种控制器在机械和电气上均不兼容；PXIe控制器不能用于PXI，同样PXI也不能用于PXIe。

系统定时插槽

这个插槽专门用于PXIe的定时功能。与PXI不同，不能用于其它目的(不能安装仪器模块)，所以如果机箱中包含了它那么就意味着有一个插槽将不能被用于设备扩展。这导致了出现不含定时插槽的机箱，并且因此不能支持星形触发器。

PXIe模块

与PXI相同，PXIe模块原则上可以提供3U和6U两种形式，并且支持双3U模块叠加的形式。3U模块有一个助拔手柄，6U模块有两个助拔手柄。PXIe模块的PCIe与定时控制信号通过XJ3连接器连接到背板上，电源与仪器功能(触发与时钟)通过XJ4连接器连接。在6U模块中还包含一个额外的可选择连接器XJ8,可以为模块供应额外的电源。PXI的应用经验为PXIe模块提供了很好的参考，模块的上下两端被槽位上的导轨所固定并通过前端的手柄将模块锁紧。

图2.4－3U PXI外设模块

图2.5－6U PXIe外设模块

机箱推荐

在PXI和PXIe机箱之间存在互相兼容问题，意味着需要用户对系统进行合理规划以充分利用所有可用的槽位，Pickering公司推荐使用PXI，除非采用PXIe能够带来明显的性能提高。在这种情况下我们强烈建议采用完全的混合机箱，后续章节会有进一步描述。

PXI Multicomputing(PXImc)

PCIe最初的设计是基于系统中只存在单一控制器，所有的通讯都在模块与控制器间进行。这种结构是源于控制器需要通过PCIe接口对存储器进行读写，而此接口是在根复合体与终端设备之间同步操作。根复合体是系统的主控，一个系统中不能存在两个根复合体。因此为了在两个PCIe系统之间共享信息，需要采用另外的方式。

现实中确实需要在系统中采用分布式的运算处理，例如基于GPIB/LXI的设备很多都具有自己的控制器来处理测量数据和反馈测试结果。分布式处理可以降低对高速控制器的依赖，而且与单一的中央控制器完成所有任务相比，整合多个运算资源处理多项测试任务可以显著提高系统的整体速度。

PXImc就是基于这种应用需求而产生，它允许在PXIe系统中添加额外的控制器。

注意：PXImc可以应用于PXI系统中，但在实际应用中，基本仅用于PCIe接口的系统。

在PXImc系统中可建立具有不透明桥段(NTB, Non Transparent Bridge)的终端，它可以与另一个PCIe系统中的PCI终端相连接。由此创造了一个界面，在这里两个PCIe系统可以保持各自所在NTB一侧的时钟同步与数据传输并由NTB系统处理两个终端之间的信息交换。因为两侧的终端运行在在不同的主控单元管理之下，所以整个系统是异步运行的，并且从一侧将数据传送到另一侧会存在额外的延迟。

该接口是不透明的，因此控制器对于PCImc接口另外一端的PCIe总线是不可见的，如同GPIB/LXI设备，其运行对于系统控制器来说很大程度上是不可见的。

尽管在本书截稿时(2014)在一些高端应用中控制器速度依然是瓶颈，但仅限于部分National Instruments的产品支持PXImc。PXImc并不是唯一应用于PCIe总线的NTB系统。某些半导体制造商和系统集成商也提供专用的NTB系统。

图2.6－PXImc系统实例

PXIe外部线缆

PCIe连接通常是通过PCB形式的系统背板，但是PCI-SIG在2007发布过PCIe外置线缆标准。这个标准允许PCIe通道通过线缆系统进行连接。该标准定义了用于不同通道数量(x1，x4，x8，x16)的连接器,但是没有对线缆进行定义——而是规定了线缆必须满足的性能指标。

PXIe和PCIe系统可以通过包含这种类型线缆连接的调制解调器来扩展。调制解调器既可以支持PXImc也可以支持其他的NTB。

图2.7－PCIe外置线缆示例以及相应从1到16通道的连接器。(图示为Molex公司产品)

感谢耐心观看到底的你，恭喜你又多涨了姿势。
下一小节将为大家介绍混合机箱，敬请期待。

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