總線基礎(chǔ)：串行總線與并行總線
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，總線（Bus）是連接各個(gè)功能部件并在它們之間傳送信息的公共通信干線。總線按照信息傳輸?shù)男问?，主要分為并行總線和串行總線。
- 并行總線是并行接口與計(jì)算機(jī)設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)的通道。在并行總線上，每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線，所有的數(shù)據(jù)位同時(shí)進(jìn)行傳輸。這種總線類(lèi)似于一條允許多輛車(chē)并排開(kāi)的寬敞道路，因此能夠在同一時(shí)刻傳輸多位數(shù)據(jù)，適用于短距離的高速數(shù)據(jù)傳輸。
- 串行總線則是通過(guò)收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部線纜或從外部線纜讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按位依次讀取。在串行總線上，數(shù)據(jù)是時(shí)分復(fù)用在一根或幾根線上傳輸?shù)?，這可以大大減少所需的走線數(shù)量。串行總線如同一條只容許一輛車(chē)行走的狹窄道路，在同一時(shí)刻只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)，常用于遠(yuǎn)距離通信或低速設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。
PCI、PCIe與PXI的關(guān)系及演化
- PCI（Peripheral Component Interconnection）：PCI是Intel公司于1991年推出的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種32位的并行總線（可擴(kuò)展為64位），總線頻率為33MHz（可提高到66MHz），最大傳輸速率可達(dá)528MB/s。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、設(shè)計(jì)容易，但總線帶寬有限，多個(gè)設(shè)備共享總線帶寬會(huì)導(dǎo)致性能下降。
- PCIe（PCI Express）：PCIe是PCI-SIG在PCI之后推出的高速串行總線，已經(jīng)發(fā)展和定義了六代，每一代常用Gen來(lái)表示。PCIe的主要優(yōu)勢(shì)是數(shù)據(jù)傳輸速率高，總線帶寬獨(dú)享。不同通道數(shù)量的PCIe裝置之間的連接稱為連結(jié)（Link），每個(gè)連結(jié)可以有多條通道（Lane），常見(jiàn)的通道數(shù)量為x1、x4、x8以及x16。隨著版本的升級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，例如PCIe 3.0的最大傳輸速率可達(dá)1GB/s。
- PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）：PXI是由National Instruments（NI）公司在1997年提出的，基于CompactPCI并加入觸發(fā)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái)。它結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性，適用于試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。PXI繼承了PCI的電氣信號(hào)，具有高達(dá)132MB/s到528MB/s的傳輸性能。
- PXIe（PXI Express）：2005年，在CompactPCI Express的基礎(chǔ)上加入觸發(fā)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)，提出了PXI Express標(biāo)準(zhǔn)。PXIe使用PCI Express串行接口，提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更強(qiáng)大的系統(tǒng)擴(kuò)展能力。
PXIe的定義
PXIe（PCI Express Extensions for Instrumentation）是一種基于PCI Express總線的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)，主要用于工業(yè)自動(dòng)化和測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域。PXIe結(jié)合了PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和PXI平臺(tái)的堅(jiān)固性和模塊化特性，形成了適用于高性能測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。
與傳統(tǒng)的總線相比，PXIe在數(shù)據(jù)傳輸速率、模塊化擴(kuò)展能力、時(shí)間同步精度和可靠性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。PXIe系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到高達(dá)數(shù)GB/s，遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)總線的性能，同時(shí)提供了靈活的模塊化擴(kuò)展能力，使得用戶可以根據(jù)實(shí)際需求定制系統(tǒng)配置。
PXIe系統(tǒng)的組成
一個(gè)PXIe系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)關(guān)鍵組件組成：
- 機(jī)箱：提供堅(jiān)固的外殼和背板設(shè)計(jì)，用于安裝和保護(hù)所有外設(shè)模塊。機(jī)箱還提供了必要的電源和散熱系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
- 背板：背板是PXI系統(tǒng)的核心組件之一，它提供了多個(gè)PXI插槽和通信總線（PCI總線），用于連接外設(shè)模塊。背板還負(fù)責(zé)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。
- 控制器：控制器是PXI系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制和管理。它通常配備高性能的多核處理器和大容量的存儲(chǔ)設(shè)備，以滿足復(fù)雜的測(cè)量需求?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)PCI接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。
- 外設(shè)模塊：外設(shè)模塊是PXI系統(tǒng)的功能單元，提供各種測(cè)試和測(cè)量功能。這些模塊可以根據(jù)需求靈活組合，構(gòu)建完整的測(cè)試系統(tǒng)。常見(jiàn)的外設(shè)模塊包括數(shù)據(jù)采集卡、模擬量輸入輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡等。
在PXIe系統(tǒng)中，機(jī)箱中的背板提供了各個(gè)模塊之間的電氣連接，確保數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸。系統(tǒng)控制器作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)行測(cè)試軟件，控制外設(shè)模塊的操作，并處理采集到的數(shù)據(jù)。
PXIe的信號(hào)
PXIe除了繼承PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力外，還定義了一些與測(cè)試有關(guān)的信號(hào)線，如電源管理（Power）、觸發(fā)總線（Trigger Bus）、星型觸發(fā)（Star Trigger）和時(shí)鐘信號(hào)線（PXIe_Clk100）等。這些信號(hào)線為多個(gè)儀器模塊的同步和觸發(fā)提供了便利。
- 100MHz參考時(shí)鐘：PXIe規(guī)格定義了一個(gè)低歪斜（Low Skew）的100MHz參考時(shí)鐘，位于背板上，并分布至每一個(gè)外設(shè)槽，確保每個(gè)外設(shè)槽所接受的時(shí)鐘信號(hào)相位一致。
- 局部總線：在每個(gè)外設(shè)槽上，PXIe定義了局部總線，連接相鄰的左方及右方外設(shè)槽，用于傳送數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。
- 星型觸發(fā)：在特定的外設(shè)槽（如2號(hào)槽）上，定義了星型觸發(fā)信號(hào)線，允許在同一時(shí)間向多個(gè)儀器模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。
此外，PXIe還保留了PXI平臺(tái)的10MHz參考時(shí)鐘和局部總線等信號(hào)，以確保與現(xiàn)有PXI系統(tǒng)的兼容性。
PXIe的應(yīng)用
憑借其高性能、模塊化和靈活性，PXIe在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：
- 工業(yè)自動(dòng)化：PXIe系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)線上的各種設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
- 測(cè)試測(cè)量：在半導(dǎo)體測(cè)試、軍用電子測(cè)試、消費(fèi)電子產(chǎn)品測(cè)試等領(lǐng)域，PXIe系統(tǒng)提供了高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集和分析能力。
- 硬件在環(huán)測(cè)試：在汽車(chē)電子、航空航天等行業(yè)中，PXIe系統(tǒng)能夠模擬實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和驗(yàn)證。
- 射頻和通信測(cè)試：PXIe系統(tǒng)支持高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)信號(hào)處理，適用于無(wú)線通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的測(cè)試應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ)
PXIe作為一種高性能、模塊化的測(cè)試和測(cè)量平臺(tái)，結(jié)合了PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和PXI平臺(tái)的堅(jiān)固性和模塊化特性。通過(guò)了解總線的基礎(chǔ)知識(shí)，特別是串行總線和并行總線的差異，我們可以更好地理解PXIe系統(tǒng)的組成、信號(hào)和應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，PXIe將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化和測(cè)試測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步。