圖三、配置為4-Link的凌華科技PXES-2780機(jī)箱示意圖

若將PXI Express系統(tǒng)槽位設(shè)置成2-Link x8， 則可得到更高的傳輸帶寬。凌華科技的PXES-2780機(jī)箱，其系統(tǒng)槽位可通過軟件設(shè)置成2-Link x8接口，其架構(gòu)如下圖4。使用該架構(gòu)，槽位8與槽位12可以提供x8的帶寬。

圖四、規(guī)劃成2-Link的凌華科技 PXES-2780機(jī)箱示意圖

使用者若能熟悉PXI Express機(jī)箱的規(guī)劃架構(gòu)，將能使模塊化儀器在傳輸大量數(shù)據(jù)上獲得更佳的傳輸性能。

l 系統(tǒng)內(nèi)存與操作系統(tǒng)(OS)

在PXI Express系統(tǒng)控制器上，若能配有大容量的系統(tǒng)內(nèi)存，則可延長數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間。然而搭配不同的操作系統(tǒng)(Operating System)可能會(huì)有不同的內(nèi)存上限。例如對(duì)于32位的操作系統(tǒng)，其內(nèi)存尋址空間通常不能超過4GB，而對(duì)于64位操作系統(tǒng)而言，一般可達(dá)512GB或者1TB的內(nèi)存尋址。因此使用者需根據(jù)自身的需求來選擇合適的操作系統(tǒng)，以支持所需的內(nèi)存空間。

l 存儲(chǔ)裝置

要能穩(wěn)定的執(zhí)行大數(shù)據(jù)的讀寫工作，選擇合適的存儲(chǔ)裝置極為重要。硬盤(HDD)是一種具有特別的機(jī)械裝置，內(nèi)含有高速旋轉(zhuǎn)的磁盤以及具有磁性的讀寫頭，來回于磁盤表面上，用以讀取磁盤內(nèi)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)單元。由此可知，讀或?qū)懙乃俣葘?huì)受限于讀寫頭的移動(dòng)速度。為了增加讀寫的速度，幾個(gè)硬盤通常會(huì)被組合起來成為一個(gè)虛擬的硬盤，這也是大家所熟知的RAID(Redundant Array of Independent Disks)，即磁盤陣列。另外最近越來越流行的固態(tài)磁盤則因?yàn)闆]有讀寫頭的機(jī)械移動(dòng)問題，因此能提供較硬盤更好的讀寫效率。若考慮到最佳的讀寫性能的話，固態(tài)磁盤將會(huì)是最佳的選擇。

應(yīng)用示例一、數(shù)據(jù)記錄至系統(tǒng)內(nèi)存

材料結(jié)構(gòu)測試的高速數(shù)據(jù)記錄

l 方案需求

某系統(tǒng)集成商想要開發(fā)一套多通道材料震動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，并能夠?qū)崿F(xiàn)從不同的傳感器同時(shí)進(jìn)行1MS/s~50MS/s采樣率的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)內(nèi)存中，以直接進(jìn)行后續(xù)的處理，而不需要將數(shù)據(jù)記錄到磁盤上做存儲(chǔ)。另外該系統(tǒng)集成商希望每個(gè)采集通道能夠記錄至少5~10秒的時(shí)間。接下來我們會(huì)針對(duì)這些應(yīng)用條件進(jìn)行評(píng)估，并討論使用PXI Express平臺(tái)實(shí)現(xiàn)這類型應(yīng)用時(shí)，不同的采樣率在設(shè)計(jì)上會(huì)遇到的瓶頸有哪些。

l 評(píng)估

下面是我們用來評(píng)估這個(gè)高速數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)會(huì)使用到的組件:

ü PXI Express機(jī)箱: 凌華科技PXES-2780，18槽PXI Express機(jī)箱

ü 數(shù)字化儀: 凌華科技PXIe-9848，高速8通道100 MS/s 14位PXI Express數(shù)字化儀

首先我們先考慮PXI Express機(jī)箱中只有單一數(shù)字化儀的狀況。下表是單一數(shù)字化儀在不同采樣率下，以不同采集時(shí)間所需要的內(nèi)存評(píng)估表。

當(dāng)只有一張PXIe-9848時(shí)，以100MS/s進(jìn)行8通道的采樣時(shí)，總數(shù)據(jù)帶寬為1.6GB/s。然而PXIe-9848其接口為PCIe x4且為Gen 1，因此若要進(jìn)行連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)記錄時(shí)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量最好能低于1GB/s。若將采樣率降低至50MS/s，則PXIe-9848能產(chǎn)生800MB/s數(shù)據(jù)量。由于PXES-2780機(jī)箱采用PCIe Gen2規(guī)格，因此能夠負(fù)荷800MB/s的數(shù)據(jù)量。若要以50MS/s采樣率進(jìn)行10秒長度的采樣，則進(jìn)一步的限制會(huì)落在系統(tǒng)內(nèi)存大小上，以此狀況下，需要8GB系統(tǒng)內(nèi)存。若系統(tǒng)內(nèi)存無法分配出高達(dá)8GB的系統(tǒng)內(nèi)存供數(shù)字化儀使用，則必須縮減采樣時(shí)間的長度。

接下來，我們?cè)賮砜紤]多張卡片安裝于同一系統(tǒng)的狀況。若想要達(dá)到最多采樣通道，那么最多則可以把17張PXIe-9848數(shù)字化儀，安裝于機(jī)箱內(nèi)，那么此時(shí)除了考慮PXI Express控制器的系統(tǒng)帶寬外，還要把PXI Express背板上的PCIe連接配置也考慮進(jìn)去。

我們觀察PXES-2780機(jī)箱的連接配置，如圖四所示，它上面的PCIe switch#1上游有兩個(gè)x4的連接通道，下游有三個(gè)x4連接通道，因此以平均來說，每個(gè)下游通道可從上游通道分得約1.33GB/s的帶寬(4GB/s ÷ 3 ports)。PCIe switch#2也可用相同的計(jì)算方式來換算其下游帶寬。至于PCIe switch#3與#4的下游通道約可分別分得222MB/s (1.33GB ÷ 6 ports)及190MB/s (1.33GB/s ÷ 7 ports)的帶寬。若每個(gè)數(shù)字化儀都使用同樣的采樣率，則帶寬瓶頸會(huì)出現(xiàn)在位于第10、13~18插槽的數(shù)字化儀上。

圖五、配置成PCIe x4 link的機(jī)箱帶寬預(yù)估示意圖

若我們根據(jù)第10、13~18槽的帶寬限制，來計(jì)算不同采樣時(shí)間長度所需的系統(tǒng)內(nèi)存，其結(jié)果如下表:

由上表評(píng)估結(jié)果可知，若以5MS/s采樣率進(jìn)行5秒鐘連續(xù)采樣，17張數(shù)字化儀共需系統(tǒng)內(nèi)存達(dá)6.8GB大小。若采樣率達(dá)10MS/s，則記錄時(shí)間會(huì)縮減至2秒(需5.44GB內(nèi)存)，若仍需要加長記錄時(shí)間，則數(shù)字化儀上的板載內(nèi)存將可延成某個(gè)程度的記錄時(shí)間。

應(yīng)用示例二、數(shù)據(jù)記錄至磁盤

激光監(jiān)控中高速光二極管的信號(hào)采集

l 方案需求

客戶的應(yīng)用是有關(guān)激光信號(hào)監(jiān)控，需要采集光二極管的信號(hào)且需為便攜式的設(shè)計(jì)。只需要采集一個(gè)通道，但采樣率需高達(dá)200MS/s。

l 解決方案

由于客戶需要高達(dá)200MS/s的單通道采樣率，因此以凌華PXIe-9842及便攜式的PXI Express機(jī)箱PXES-2590為應(yīng)用組合，以此提供高達(dá)400MB/s的數(shù)據(jù)記錄速率。由于需要將數(shù)據(jù)記錄至磁盤，而PXI Express控制器上的磁盤裝置一般很難提供高達(dá)400MB/s的帶寬，即使使用SSD也很難，因此使用外部的RAID存儲(chǔ)裝置來進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。我們使用的RAID模塊是PXI Express接口且具有4個(gè)SATA III界面的SSD。