萬(wàn)能總線技術(shù)存在嗎？許多公司宣稱其總線技術(shù)可以用作萬(wàn)能總線，能夠滿足所有應(yīng)用需求。但事實(shí)上，每種總線技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
歷史表明，用一個(gè)所謂的萬(wàn)能總線來適用于各種設(shè)備的主張是徒勞的。雖然IEEE-1394(火線)距離商用化還有一年時(shí)間，因?yàn)榉浅Ｏ嘈呕鹁€的能力，惠普公司反對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)已被廣泛接受的IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)。
惠普公司當(dāng)時(shí)公開要求IEEE成員反對(duì)提高于1997年12月發(fā)布的IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)的帶寬，惠普公司認(rèn)為“火線具有更好的前途，可以提供比建議的IEEE-488修改版大得多的帶寬。為了提高速度，計(jì)算機(jī)行業(yè)已經(jīng)在開發(fā)優(yōu)秀的解決方案，為什么我們還要在尚有疑問的IEEE-488的擴(kuò)展上投入巨資呢？”
自IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，該標(biāo)準(zhǔn)一直在滿足許多用戶的需要(而改進(jìn)的IEEE 488.1-2003版本將速度提高了8倍)。與此同時(shí)，用戶也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了IEEE-1394的局限性。雖然IEEE-1394在高速連接數(shù)字?jǐn)z像機(jī)方面是一種非常有效的總線技術(shù)，但它在其它設(shè)備中卻得不到廣泛的認(rèn)可。
雖然每種總線技術(shù)都有顯著的優(yōu)勢(shì)，但認(rèn)為某種總線沒有缺點(diǎn)或局限是言過其實(shí)的夸夸之談。理解各種總線的優(yōu)勢(shì)，對(duì)測(cè)試設(shè)備與測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們是非常有益的。
實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)通常包含多條通信總線，它們是綜合系統(tǒng)中軟件的基礎(chǔ)框架，通過它們將各種完全不同的技術(shù)有機(jī)整合在一起。目前已經(jīng)有許多高速數(shù)據(jù)總線可用于測(cè)試與測(cè)量設(shè)備。本文將介紹影響這些通信總線應(yīng)用的一些特性，并對(duì)幾種流行技術(shù)進(jìn)行比較。
為了評(píng)估各種總線技術(shù)是否適合某種應(yīng)用，工程師必須考慮總線的關(guān)鍵屬性，例如延遲時(shí)間、帶寬、軟件支持能力、通信距離和實(shí)用性等。特別是延遲時(shí)間和帶寬對(duì)性能有很大的影響。延遲時(shí)間是指數(shù)據(jù)在總線上傳輸?shù)难訒r(shí)，而帶寬代表數(shù)據(jù)在總線上發(fā)送的速率，通常以MB/s表示。
如果將測(cè)量總線比作高速公路的話，延遲時(shí)間則與公路上的紅燈數(shù)量有關(guān)，而帶寬則與公路的寬度和車輛行駛速度有關(guān)。延遲時(shí)間將對(duì)像數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)測(cè)量、開關(guān)測(cè)量等應(yīng)用產(chǎn)生直接的影響。而帶寬在波形產(chǎn)生和采集以及射頻測(cè)量等應(yīng)用中非常重要。圖1對(duì)不同總線的延遲時(shí)間和帶寬作了比較。
圖1：滿足許多不同應(yīng)用需求的總線性能
軟件支持是一個(gè)很重要的因素，因?yàn)橥ㄟ^合適的工具可以進(jìn)行硬件參數(shù)提取，并降低將各種儀器整合成一個(gè)完整測(cè)試系統(tǒng)的難度。如果測(cè)量總線規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)軟件，工程師就可以充分利用這些標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，進(jìn)而降低系統(tǒng)的整合難度。
另外一個(gè)需要考慮的因素是支持的距離。像天線范圍測(cè)量這樣的應(yīng)用就可能要求測(cè)量組件之間保持一定的距離。另外，工程師應(yīng)該考慮從PC到總線連接的可用性以及針對(duì)特定總線的儀器可用性。最后，要考慮選用這種測(cè)量總線的儀器成本。
非常適用于測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的PCI Express是從PCI總線發(fā)展而來的一種總線。與PCI相比，PCI Express的帶寬有了很大的提高，每個(gè)方向的信道速率可以達(dá)到4GB/s，同時(shí)在軟件上仍兼容于PCI。USB接口，由于其使用范圍寬和其即插即用的方便特性，目前也深受大眾歡迎。LAN作為一種總線特別適用于分布式應(yīng)用場(chǎng)合。最后還有GPIB總線，也是一種非常成功的測(cè)量總線，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)較低的延遲時(shí)間，因而適用于很多類型的儀器。
PCI Express總線不僅具有速度快、采用模塊化硬件架構(gòu)以及與PCI兼容的特性，而且還具有低的延遲時(shí)間和更高的總線帶寬。而且與PCI、LAN、USB和GPIB不同的是，PCI Express總線帶寬不是共享的。這種高帶寬可以實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。PCI Express x1在每個(gè)方向的通道速率可以達(dá)到250MB/s，而x16的通道速率更是高達(dá)4GB/s，是PCI的24倍。隨著虛擬儀器的逐漸普及，如此高的帶寬將顯得特別有用。
工程師可以利用虛擬儀器技術(shù)，與模塊化硬件、開發(fā)軟件和PC技術(shù)相結(jié)合來創(chuàng)建用戶定義的系統(tǒng)。相對(duì)于供應(yīng)商定義的箱式儀器，軟件定義方案則具有更大的靈活性。因?yàn)檫@種方法基于具有更強(qiáng)功能和更快速度的PC技術(shù)。模塊化硬件將儀器分解成單個(gè)測(cè)量部件，工程師可以根據(jù)需要組合這些部件，從而設(shè)計(jì)出他們自己特定要求的測(cè)量?jī)x器。這種分解要求為部件之間的數(shù)據(jù)流提供高性能的數(shù)據(jù)鏈接。而更高帶寬的PCI Express正好可以用來滿足部件之間的這種高數(shù)據(jù)流速率。另外，PCI Express還能改善點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信性能，因此系統(tǒng)中的儀器相互間可以借助PCI Express進(jìn)行快速便捷的通信。最后，PCI Express在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了兼容性問題。由于采用了精心設(shè)計(jì)的分層架構(gòu)，PCI Express能確保與未來產(chǎn)品的兼容性，并且在軟件上兼容PCI。正是這些更高的性能、模塊化硬件架構(gòu)以及良好的兼容性，使得PCI Express能夠滿足許多新的應(yīng)用。
PCI Express傳遞架構(gòu)
PCI Express采用分層架構(gòu)，如圖2所示。從底層開始分別是物理層、數(shù)據(jù)層、事務(wù)處理層、軟件層和OS層。 
圖2：PCI具有分層式架構(gòu)
PCI Express在物理層引入了多通道概念用以增加系統(tǒng)帶寬?；疚锢韺佑梢粋€(gè)雙單工信道組成，其中一個(gè)用于發(fā)送而另一個(gè)用于接收，從而組成一個(gè)通道。每個(gè)PCI Express信道具有2.5GB/s的初始化速度，能在每個(gè)方向上提供約250MB/s的標(biāo)稱帶寬，這與大多數(shù)典型的PCI設(shè)備相比提高了2到4倍。與PCI中所有設(shè)備共享總線帶寬不同，這個(gè)帶寬是提供給每個(gè)設(shè)備專用的。通過增加信號(hào)對(duì)形成多通道，可以線性調(diào)整PCI Express的鏈路帶寬。物理層能提供x1、x2、x8、x12、x16和x32的通道帶寬，從概念上講，是將輸入數(shù)據(jù)包平均分配到多個(gè)通道上。因此未來性能的增強(qiáng)、編碼技術(shù)或媒體介質(zhì)的改變將只影響物理層。
鏈路層保證數(shù)據(jù)包在PCI Express鏈路上的可靠傳輸。通過使用基于信用機(jī)制的流量控制協(xié)議，PCI Express可以確保只有在接收端緩存器具有可用的空間來接收時(shí)，才發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而避免發(fā)生任何數(shù)據(jù)包重傳以及因資源約束條件而造成的總線帶寬的浪費(fèi)。當(dāng)信號(hào)遭到破壞時(shí)鏈路層將自動(dòng)重傳數(shù)據(jù)包。
事務(wù)處理層采用基于數(shù)據(jù)包協(xié)議。事務(wù)處理層接收來自軟件層的讀寫請(qǐng)求，創(chuàng)建請(qǐng)求包并發(fā)送給鏈路層。所有請(qǐng)求均按照分離的事務(wù)來實(shí)現(xiàn)，一些請(qǐng)求數(shù)據(jù)包要求一個(gè)響應(yīng)包。事務(wù)處理層也接收來自鏈路層的響應(yīng)包，并與原始的軟件請(qǐng)求進(jìn)行匹配。每個(gè)包都有一個(gè)唯一的識(shí)別符，因此可以使響應(yīng)包直接指向正確的始發(fā)點(diǎn)。
PCI Express的軟件兼容性特別重要。其軟件層仍保持兼容PCI的尋址模式，因此可以確?，F(xiàn)有的設(shè)備和驅(qū)動(dòng)程序不用修改仍能正常工作。PCI初始化模型在PCI Express架構(gòu)中也不用修改，在上面運(yùn)行的操作系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)所有存在的附屬硬件設(shè)備并配以系統(tǒng)資源，因此在采用PCI Express總線的機(jī)器上所有操作系統(tǒng)不用修改即可正常啟動(dòng)。PCI Express架構(gòu)還保留了PCI使用的運(yùn)行時(shí)間庫(kù)軟件模型，因此所有現(xiàn)有軟件也無需任何修改即能正常運(yùn)行。
由于可用帶寬高、性價(jià)比好，又是基于獲得廣泛使用的PCI技術(shù)，目前，PCI Express已經(jīng)得到了廣泛的商用。由于能夠滿足視頻卡和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，PCI Express正在成為深受人們歡迎的技術(shù)。另外，象Intel和Dell等大公司的巨額投資也進(jìn)一步加強(qiáng)了PCI Express的普及，使PCI Express的成本不斷下降。另外，PCI Express的普及還受益于與上億個(gè)現(xiàn)有PCI接口的軟件兼容性。
隨著PCI Express的商用化，工程師還有望將PCI Express用于測(cè)試與測(cè)量。PCI Express技術(shù)將被供應(yīng)商用于測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域，因此工程師可以從測(cè)試儀器的性能改進(jìn)中獲益。隨著PCI Express技術(shù)在PC市場(chǎng)中的普及，CompactPCI和PXI制造商已經(jīng)開始將PCI Express集成到其規(guī)范中。雖然產(chǎn)品可能明年才能出來，但在PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造小組(PICMG)的努力下，規(guī)范已接近完成。PCI Express的商用化和更高帶寬將促進(jìn)PCI Express在測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域中的普及。
CompactPCI和PXI不僅利用PCI Express，而且提供與Compact PCI Express和PXI Express的兼容性。在PCI Express軟件兼容性的基礎(chǔ)上，PXI提供的標(biāo)準(zhǔn)軟件框架將支持PXI Express。為了提供硬件兼容性，新的CompactPCI Express規(guī)范定義了一種新的混合擴(kuò)展槽，允許工程師在該槽中安裝PCI或PCI Express架構(gòu)的模塊卡。利用這一技術(shù)，工程師和供應(yīng)商就可以通過軟硬件兼容性來保護(hù)對(duì)PXI系統(tǒng)和產(chǎn)品的已有投資。
未來的PCI Express。由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮了未來的帶寬需求，今后新一代PCI Express總線還具有進(jìn)一步增加帶寬的潛力。由于采用了分層架構(gòu)，可以在規(guī)范中規(guī)定通過物理層配置來增加帶寬。最初的第1代信令頻率是每方向2.5GB/s。隨著硅片技術(shù)的發(fā)展，這一參數(shù)有望提高至每方向10GB/s，達(dá)到銅線可以傳輸?shù)淖畲髽O限速率。
高速視頻采集就是采用PCI Express的應(yīng)用案例之一。過去，工程師作選擇時(shí)，必須面對(duì)較窄的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸可靠性較差的現(xiàn)實(shí)，或者使用非常昂貴的專用系統(tǒng)才能滿足帶寬需求。有了PCI Express提供的出眾帶寬，工程師不再需用上述專用系統(tǒng)就能以更高的精度采集高速視頻，并完成實(shí)時(shí)事件的表述。例如，工程師現(xiàn)在可以使用NI的PCIe-1429圖像采集卡以680MB/s的速率采集數(shù)據(jù)，而過去只能使用昂貴的板上存儲(chǔ)器陣列進(jìn)行短時(shí)間的圖像采集。
USB接口
由于USB非常方便的即插即用特性、高帶寬能力以及USB端口的適用范圍寬，USB已經(jīng)在許多測(cè)試與測(cè)量設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。從USB鼠標(biāo)或記憶棒的使用就可以看出USB是如何簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的連接和配置并受益于即插即用性能的。USB2.0的發(fā)布確立了新的高速設(shè)備類型，其最大傳送速率可達(dá)480MB/s。
隨著計(jì)算機(jī)上USB端口的普及，充分利用這種方便的連接和配置性能, 工程師可以在系統(tǒng)中快速集成USB設(shè)備。許多USB設(shè)備價(jià)格都比較低，非常適用于便攜測(cè)量、筆記本或臺(tái)式機(jī)的數(shù)據(jù)記錄以及車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集/記錄。
在低成本、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，工程師可以使用USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備在臺(tái)式電腦上開發(fā)測(cè)量設(shè)備，然后移植到筆記本上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。舉例來說，利用NI公司帶4個(gè)隔離式熱電偶輸入的USB-9211模塊，工程師可以輕易地開發(fā)高性價(jià)比的便攜式電壓與環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。
LAN接口
LAN在測(cè)試設(shè)備中已經(jīng)使用了許多年了。由于LAN能夠支持較長(zhǎng)的距離要求，LAN非常適合分布式應(yīng)用或遠(yuǎn)端監(jiān)控。100BaseT LAN在沒有中繼的情況下最長(zhǎng)可支持85米，采用中繼器后基本沒有距離的限制。針對(duì)IEEE 488 TCP-IP命令的軟件標(biāo)準(zhǔn)，如VXI-11，為基于消息的LAN儀器之間的通信提供了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
通過LAN接口，工程師把傳統(tǒng)的儀器連接在一起，進(jìn)行大范圍的低頻監(jiān)視或分布式測(cè)量。LXI(針對(duì)儀器的擴(kuò)展LAN)是一種正在制定中的規(guī)范，主要為卓越的各種LAN儀器增加觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和兼容性標(biāo)準(zhǔn)。最新的千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)將增加LAN儀器的帶寬，但總線延遲時(shí)間的改善效果不大。因此，LAN仍最適合中等吞吐量的應(yīng)用，例如低速分布式數(shù)據(jù)記錄和傳統(tǒng)的儀器控制。
工廠監(jiān)視和自動(dòng)化就是LAN應(yīng)用的一個(gè)例子。由于可以支持任何距離需要，LAN允許工程師方便地設(shè)計(jì)出能夠監(jiān)視和控制閥、傳動(dòng)裝置和遍布工廠樓層的傳感器系統(tǒng)。工程師可以利用LAN支持和維護(hù)廣域范圍內(nèi)的這種低頻監(jiān)控系統(tǒng)。
混合系統(tǒng)
混合多平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)碜远喾NATE平臺(tái)(如PXI、PCI、GPIB、USB和以太網(wǎng))的設(shè)備整合進(jìn)一個(gè)系統(tǒng)中。將多種總線成功整合進(jìn)同一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)，一個(gè)重要任務(wù)就是建立如圖3所示的分層系統(tǒng)架構(gòu)。利用這種架構(gòu)創(chuàng)建的系統(tǒng)，可以最大地發(fā)揮已有軟硬件投資價(jià)值，同時(shí)仍能整合新的總線技術(shù)。這種架構(gòu)的關(guān)鍵部分是上面三層，即軟件框架，它簡(jiǎn)化了多種總線的整合、配置和編程。
圖3：可以滿足許多領(lǐng)域需求的PCI業(yè)務(wù)分層
這樣，工程師就可以充分利用某種總線在某種應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)來滿足多種要求。例如在射頻通信應(yīng)用中，工程師可以充分利用PXI和PXI Express的更高帶寬、更嚴(yán)格時(shí)序和同步性能，來連接下變頻器和數(shù)字轉(zhuǎn)換器，然后通過LAN連接多個(gè)相似的測(cè)量設(shè)備來滿足距離方面的要求。通過整合多種總線，工程師可以充分發(fā)揮各種總線的優(yōu)勢(shì)而創(chuàng)建出更理想的測(cè)試系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
