有线PCIExpress-标准高速仪器连接器设计和实现 计算机科学与技术专业

有线PCIExpress-标准高速仪器连接器摘要-PCI及PCIExpress规范开发商PCI特殊利益集团(PCI-SIG)于2007年2月发布了PCIExpress外部电缆1.0规范，打破常规对PCIExpress进行扩展。有线PCIExpress是一种连接系统组件的高性能串行总线；以下部分将对有线PCIExpress背后的技术、目前及今后在测量及自动化系统中的应用需求进行测试。介绍有线PCIExpress在PCIExpress的基础上提供一种可度量的、高带宽、低延迟连接；通过在电缆上扩展PCIExpress，利用一台PC主机来完成处理和分析操作，将为高性能测量及自动化应用创造机会；例如，有线PCIExpress可通过维持大于800MB/s的传输速度来连接PC主机与PXI机箱；有线PCIExpress性能高、成本低、便于连接，因此适合多种应用，特别适合那些目前因未装高速连接器而受限的应用。有线PCIExpress通过定义电缆连接器、铜电缆性质及电性、连接器保持、识别和标签等，确立了一种标准的电缆PCIExpress技术应用方法；该方法符合PCIExpress基础规范1.1和机电规范，保证了PCIExpress子系统之间的高数据速率。标准电缆和连接器根据x1、x4、x8和x16链路定义；可通过电缆提供边带信号，以保证现有硅片和软件实施的兼容性，因此，开发商可以使用现有的PCIExpress生态系统。PCIEXPRESS技术概要PCIExpress克服了最初由英特尔在10多年前开发的PCI总线的缺点；最初的PCI总线为32位并行总线，工作频率为33MHz，理论带宽峰值为132MB/s；该总线采用一个共享总线拓扑结构，在多台设备上共享总线带宽，来提供在总线上不同设备之间的通信；随着设备的演变，需要大带宽容量的新型设备开始占用同一个共享总线上其它设备的带宽；例如，吉比特级网络卡可以独自占用95%的可用PCI总线带宽。图中文字翻译：Processor:处理器MemoryControllerHub：内存控制中心I/OControllerHub：输入/输出控制中心图1每个PCIExpress插槽为PC内存卡提供带宽，与PCI不同，该类插槽可以共享带宽。为满足这些先进设备的带宽需求，PC行业联盟及外设厂商开发出了PCIExpress，并于2004年开始为标准PC台式机供货；主要供货商的多数台式机已经包括一个以上的PCIExpress插槽；最著名的PCIExpress改进是点对点总线拓扑结构；共享开关可用来代替PCI共享总线，可使每台设备直接自行访问总线。PCIExpress与PCI不同，不是在总线上划分所有设备的带宽，而是为每台设备提供专业数据管道。数据通过成对传输及接收信号（称为“信道”）采用打包方式串行传送，这使得每个信道在每个方向的带宽达到250MB/s。多个信道组合到一起，形成x1(“序号1”)、x2、x4、x8、x12、x16和x32信道宽度，以增加插槽的带宽。图中文字翻译：TotalBusThroughput:总线总吞吐量NumberofDevices:设备数量图2PCIExpress提供相当于传统PCI带宽30倍的专业可度量带宽。数据获取及波形生成等应用要求足够的带宽，以确保数据在不丢失或不被覆盖的前提下被快速传送到内存。与旧式总线相比，PCIExpress可显著提升数据带宽，最大程度降低对单板存储器的需求和实现数据快速流动。2.5Gb/s规范提供的最初信号频率是32位数、33MHzPCI可用带宽的30倍，利用PCIExpress第二代信号今后有望增至5Gb/s。由于PCIExpress具有可度量信道拓扑结构，仪器厂商可部署一个PCIExpress连接器，确保信道数目达到设备要求。有线PCIEXPRESS基于PCIExpress的有线PCIExpress是下一代服务器、台式机和笔记本电脑外围总线，它具有以下优点：•标准PC机的广泛应用意味着部署成本较低；•高带宽-x16电缆带宽高达4GB/s•低延迟-300-700ns•应用软件和操作系统无需变更PCI模型•包括有线PCIExpress在内具有至少15个标准化形式因子•标准专为芯片对芯片、板对板和设备对设备应用设计图中文字翻译：Increasing(Improving)Bandwidth:增加（提高）带宽MaxBandwidth:最大带宽ApproximateLatency:大约延迟Decreasing(Improving)Latency:降低（提高）延迟Good:良好Better:更好Best:最好图3PCIExpress提供最高带宽和最低延迟PCI-SIG标准机构将有线PCIExpress定义为PCIExpress基础规范的一种扩展；从设备对设备或沿更长距离扩展PCIExpress是有线PCIExpress的目标。有线PCIExpress提供一种简易且高性能的PC扩展及测量I/O总线。尽管有线PCIExpress规范提供实际电缆长度指南，但它目前无法设定最大电缆距离。当前部署自2006年以来，MXI（多系统扩展接口）Express遥控器一直使用有线PCIExpress来连接PXI机箱和PC机。1991年，第一台MXI产品MXI-1开始用于连接VXI主机和PC机；最新产品MXI-Express使用有线PCIExpress连接PXIExpress机箱和PC主机；MXI-Express遥控器可用于x1和x4配置，可连续提供800MB/s以上的吞吐量。PCIExpress和ExpressCard主机接口可分别用于台式机和笔记本电脑；在MXI-Express上使用有线PCIExpress的主要目的是利用PCIExpress的高性能形式因子和低成本。图4中所示x1MXI-Express的形式因子利用PC台式机上的一个PCIExpress插槽来连接PXIExpress机箱；图5中所示ExpressCard的形式因子支持使用同一个电缆来连接x1有线PCIExpress和PXIExpress机箱。因此，PXI模块和电缆常见于笔记本电脑和台式机中，可以提升重复使用率。图4NIMXI-Express使用有线PCIExpress来连接PC机和PXI机箱。图5NIMXI-Express使用有线PCIExpress来连接带ExpressCard的笔记本电脑和PXI机箱。1991年首次推出MXI产品时，当时最先进的MXI-1提供10MB/s带宽，并采用当时的商业技术；通过将有线PCIExpress并入MXI生产线，MXI-Express可支持大于800MB/s的带宽。尽管带宽显著增加，但这些链路的成本在下降。图7列出了过去15年来每带宽价格显著下降情况。PXIExpress用XI-Expressx4使每MB/s的成本降低了85%以上，从每MB/s19美元下降到每MB/s2.16美元。成本降低表明商业技术的力量，并确保基于PXI的虚拟部署将继续在更多价格敏感性应用中保持增长。图中文字翻译：Bandwidth:带宽Product(YearReleased)产品（发布年）图6有线PCIExpress使MXI-Express带宽比MXI-1带宽高80倍。图中文字翻译：PriceperBandwidth:每带宽价格YearReleased发布年图7从每MB/s450美元到每MB/s2.16美元，有线PCIExpress使每带宽价格降低。未来部署工程师可以将有线PCIExpress在多种仪器应用中作为一种高性能、低成本连接器来使用。例如，工程师可以通过实现两台传统独立式仪器互连，将一个传统独立式仪器与PC机相连，或将PC机与PXI机箱相连，使用有线PCIExpress来传送高速数据。根据与有线PCIExpress连接器任何一端相连的仪器是否有本地CPU，可将有线PCIExpress分为两种不同的模式：主机模式-主机模式只访问充当端点的仪器-无本地CPU。时钟、地址和设备枚举使用一种透明网桥实现从主机到仪器的扩展；使用MXI-Express连接PC机和PXI机箱是本次部署的一个例子；PC机的CPU可为PXI机箱中的设备分配必需地址和资源。本地模式-本地模式通过PCIExpress非透明网桥(NTB)来访问带有内嵌式CPU的仪器。连接PC和带有内嵌式CPU的传统独立式仪器是本地模式应用的一个例子。在配置中安装两台CPU，时钟、地址和设备枚举会发生冲突；使用一台PCIExpress非透明网桥可确保时钟、地址和设备枚举在两台仪器之间保持一致。软件-定义合成及虚拟仪器由于有线PCIExpress专为设备对设备应用而设计，因此，工程师可以用它来连接PC机和传统仪器。随着以软件为核心的仪器增加，对高速连接主机处理器的要求越来越高。例如，美国国防部（DoD)用术语“合成仪器”(SI)来描述这些以软件为中心的系统。美国国防部设立了一个名为合成仪器工作组(SIWG)的委员会来定义合成仪器系统互操作性标准。合成仪器工作组将合成仪器定义如下：合成仪器是一个可重构的系统,连接一系列基本硬件和软件组件,备有标准化接口,利用数字处理技术产生信号和进行测量。合成仪器工作组主要关注适用于RF刺激和测量系统的合成仪器概念。RF测试等数据密集型应用需要一个高带宽、低延迟总线来连接IF数字转换器和处理器。图中文字翻译：HighSpeed-ControlandData(CabledPCIExpress):高速-控制和数据（有线PCIExpress）IFDigitizer:IF数字转换器DownConverter:下行转换器HostProcessor:主机处理器LowSpeed-ControlOnly(CabledPCIExpressorother):低速-仅控制（有线PCIExpress或其它）SignalGenerator:信号生成器UpConverter:上行转换器图8合成仪器RF结构图例如，通常对50MHzRF信号进行数字转换需要100MB/s带宽（每个例子中，14比特A/D、2字节）；对于输入和输出通道而言，可增加到200MB/s，而且对于增加的普通多通道或多入多出（MIMO）应用而言，所需带宽可快速计量为每秒千兆字节。特别是，考虑到PCIExpress和有线PCIExpress优良的技术性能、广泛商业应用和低成本基础架构，因此，应为这一高速链路选择PCIExpress和有线PCIExpress。在决定将PCIExpress作为高速链路前，合成仪器工作组考虑在ATE系统中使用多种高速串行连接技术来移动数据。所考虑的评估标准是延迟性、带宽、支持通信方案、服务质量、电缆距离、成本、支持应用和寿命。分析结果已在IEEEAUTOTESTCON2006上公布。表1合成仪器工作组高速串行技术调查概要评估标准快速输入/输出InfiniBandPCIExpress10GigabitEthernet(TCP/IP)延迟☆☆☆☆☆☆☆带宽☆☆☆☆☆☆☆多播主机对主机支持☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆服务质量☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆距离☆☆☆☆☆☆☆☆成本☆☆☆☆☆☆☆☆☆支持应用☆☆☆☆☆☆☆☆寿命（部署）☆☆☆☆☆☆☆良好☆更好☆☆最好☆☆☆结论有线PCIExpress是一个适用于芯片对芯片、板对板和设备对设备应用的可度量、高带宽、低延迟总线。另外，有线PCIExpress以较低的成本打开了一个