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PCI Express技术简介


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本文简要介绍PCI Express总线。此外，解释了NI如何引导对PCI Express的选择以用于基于基于计算机的测量和自动化的硬件和软件。欲想了解更详细的关于PCI Express标准的文章，请参考PCI Express － PCI Express标准概览。

目录
  • 前言
  • PCI Express标准
  • 硬件和软件兼容性
  • 为PCI Express选择合适的PC作为主机
  • NI PCI Express设备
前言
台式计算机的革新速度是令人震惊的。根据摩尔定律，从集成电路的出现开始，处理速度将每十八个月翻一番。软件制作人员开发新的软件和版本来支持最新的处理速度、内存大小和硬盘容量方面的提高，同时硬件厂商发布最新设备和技术来与最新软件的需求保持同步。这一快速的革新在基于PC的测量硬件和软件、插入式设备（现在可以高达15MHz的速率提供16位的测量）方面也是十分明显的。

由于数据采集速率随着芯片技术的进步而不断提高，大量的数据必须传输至PC进行处理。这些传输由那些将设备连接到PC内存的数据总线完成。总线与汽车中的变速器类似——没有变速器就没有办法从引擎中获得马力来使汽车在路面上行驶。与变速器一样，数据总线的重要性常常被引擎的马力（处理和A/D速率）所遮蔽。然而，数据传输的速率常常是测量的瓶颈，并且是许多仪器带有昂贵板载内存的主要原因。

为了解决不断增长的对带宽的需要，近来发布了一种称为PCI Express的新的总线技术。起初是为实现高速音频和视频流而设计的，PCI Express现在也用来提高测量设备至PC内存的数据传输速率，而且与过去十年的台式计算机所使用的传统PCI总线相比，速度提高了30倍。

PCI Express标准
PCI Express的引入是用来克服以前PCI总线的限制。PCI总线是Intel十年前开发和发布的，工作在33MHz和32位环境下，理论带宽峰值是每秒132MB。它使用共享总线拓扑结构——总线带宽在多个设备间共享——从而实现总线上不同设备间的通信。随着设备的发展，新的占用大量带宽的设备开始吞噬同一共享总线上的其他设备的带宽。例如，1G网卡可独占95%的PCI总线带宽。

为了提供这些新型设备所要求的带宽，PC行业协会和外设厂商一起开发了PCI Express并且于2004年开始在标准的台式计算机上提供。大部分来自顶级供应商的台式机器已经至少包含了一个PCI Express插槽。相对于PCI，PCI Express最引人注目的进步是它点到点的拓扑结构。用于PCI的共享总线被一个共享开关所代替，这个开关使得每一个设备拥有对总线的直接访问权。并且不同于PCI将带宽分给总线上的所有设备的是，PCI Express提供给每一个设备它自己专用的数据流水线。数据通过被称为信道的发送和接受信号对来以包的形式串行传输，每个信道具有单方向250M字节/秒的速度。多个信道可以组合在一起形成x1 (“单一的”)、 x2、 x4、x8、x12、x16、和x32的信道带宽从而提高插槽的带宽。


图1、每一个PCI Express插槽拥有专用的连至PC内存的带宽，而不同于PCI的共享带宽

诸如数据采集和波形发生器之类的应用需要足够的带宽来保证数据能以足够快的速度传输至内存而不丢失或重写。相对于传统的总线，PCI Express极大地提高了数据带宽，减少了对板载内存的需求并且实现了更快的数据流传输。初始的信号频率，即技术标准规定的2.5G位/秒，是32位、33MHz 的PCI可用带宽的30倍（一个x16的插槽），并且这一信号频率预期将随着芯片技术的进步增加至10G位/秒——这是铜线信号的极限。并且由于PCI Express的可扩展信道拓扑结构，数据采集厂商可以实现具有符合设备所需要信道数的PCI Express插槽。

图2、PCI Express提供专用的、可扩展的带宽（高达传统PCI带宽的30倍）
硬件和软件兼容性
PCI Express保持与传统PCI的软件兼容性，但是将物理总线代替成为一个高速（2.5Gb/s）的串行总线。因为这种体系结构发生了改变，所以插槽本身并不兼容。但是，在PCI向PCI Express的过渡过程中，大部分计算机主板将既提供PCI插槽又提供PCI Express插槽。具有较少信道插槽的设备可以“向上插入”至主板上具有较多信道的插槽，从而提高硬件的兼容性和灵活性。但是，“向下插入”至较少信道的插槽是不支持的。

图3、现今计算机上的标准PCI Express插槽大小是x1、x4、x8和x16的信道带宽
为PCI Express选择合适的PC作为主机
大部分来自顶级厂商的PC现在已经至少包含一个PCI Express插槽了。最常见的插槽大小是x1和x16。x1插槽是一个通用的插槽用来作为NI PCIe M系列数据采集和NI PCIe GPIB设备的主机设备。现在，服务器级的机器需要x4和x8的插槽，以用于那些包含NI PCIe摄像机链路（Camera Link）图像采集设备的装置。然而“服务器”并不简单地意味着高价格，因为优良的服务器也具有与台式机箱可比的价格。例如，2005年5月， Dell SC240服务器除了3个PCI插槽之外，还有一个x1和一个x8的PCI Express插槽，报价却为299美元。

图4、大部分主板包含了PCI插槽和PCI Express插槽

在选择一个计算机时最重要的是确保PCI Express插槽被连接到的物理连接的大小。例如，一些厂商使用的主板具有x8的插槽，却是x4的连接大小。这些插槽上的设备将只会运行在x4的数据速率上。在您向上插入一个PCI Express设备的情况下，请保证您使用的计算机运行在您设备所支持的最大数据速率时支持向上插入。PCI Express技术标准仅仅要求“向上插入”来工作在x1数据速率下。这就会导致一个插入x8插槽的x4的设备工作在x1的数据速率下（250MB/s）。

NI PCI Express设备
NI是第一个发布PCI Express接口的多功能数据采集、图像采集、和GPIB设备的公司。NI PCIe-GPIB是带有一个x1的PCI Express插槽的GPIB控制器。NI PCIe-1429是一个x4的设备用于利用Camera Link摄像机来采集图像，并且是业内最快的插入式图像采集设备，图像流高达680MB/s（即每秒传输相当于一个CD-ROM的数据量）。NI PCIe-6251和NI PCIe-6259是M系列数据采集设备，它们除了提供32个10MHz的数字I/O以及4个16位、2.8MS/s的模拟输出通道之外，还提供多达32个16位、1.25MB/s的模拟输入通道。所有这些I/O可以并行地运行并且通过一个x1的插槽数据传输至PC内存以及从PC内存中传输出来。

图5、PCI Express M系列提供高速的模拟和数字I/O
所有NI PCI Express设备与那些为等同于PCI设备而设计的软件是后向兼容的。例如，在NI-DAQmx和LabVIEW中为NI PCI-6251编写的软件无需修改即可运行在NI PCIe-6251上，从而确保您的软件投资得到保障，同时您的硬件投资也为未来做好了准备。

相关链接：
PCI Express标准概览


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