本文簡(jiǎn)要介紹PCI Express總線。此外，解釋了NI如何引導(dǎo)對(duì)PCI Express的選擇以用于基于基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量和自動(dòng)化的硬件和軟件。 前言 臺(tái)式計(jì)算機(jī)的革新速度是令人震驚的。根據(jù)摩爾定律，從集成電路的出現(xiàn)開始，處理速度將每十八個(gè)月翻一番。軟件制作人員開發(fā)新的軟件和版本來支持最新的處理速度、內(nèi)存大小和硬盤容量方面的提高，同時(shí)硬件廠商發(fā)布最新設(shè)備和技術(shù)來與最新軟件的需求保持同步。這一快速的革新在基于PC的測(cè)量硬件和軟件、插入式設(shè)備（現(xiàn)在可以高達(dá)15MHz的速率提供16位的測(cè)量）方面也是十分明顯的。 由于數(shù)據(jù)采集速率隨著芯片技術(shù)的進(jìn)步而不斷提高，大量的數(shù)據(jù)必須傳輸至PC進(jìn)行處理。這些傳輸由那些將設(shè)備連接到PC內(nèi)存的數(shù)據(jù)總線完成。總線與汽車中的變速器類似——沒有變速器就沒有辦法從引擎中獲得馬力來使汽車在路面上行駛。與變速器一樣，數(shù)據(jù)總線的重要性常常被引擎的馬力（處理和A/D速率）所遮蔽。然而，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾食３Ｊ菧y(cè)量的瓶頸，并且是許多儀器帶有昂貴板載內(nèi)存的主要原因。 為了解決不斷增長(zhǎng)的對(duì)帶寬的需要，近來發(fā)布了一種稱為PCI Express的新的總線技術(shù)。起初是為實(shí)現(xiàn)高速音頻和視頻流而設(shè)計(jì)的，PCI Express現(xiàn)在也用來提高測(cè)量設(shè)備至PC內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且與過去十年的臺(tái)式計(jì)算機(jī)所使用的傳統(tǒng)PCI總線相比，速度提高了30倍。 PCI Express標(biāo)準(zhǔn) PCI Express的引入是用來克服以前PCI總線的限制。PCI總線是Intel十年前開發(fā)和發(fā)布的，工作在33MHz和32位環(huán)境下，理論帶寬峰值是每秒132MB。它使用共享總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——總線帶寬在多個(gè)設(shè)備間共享——從而實(shí)現(xiàn)總線上不同設(shè)備間的通信。隨著設(shè)備的發(fā)展，新的占用大量帶寬的設(shè)備開始吞噬同一共享總線上的其他設(shè)備的帶寬。例如，1G網(wǎng)卡可獨(dú)占95%的PCI總線帶寬。 為了提供這些新型設(shè)備所要求的帶寬，PC行業(yè)協(xié)會(huì)和外設(shè)廠商一起開發(fā)了PCI Express并且于2004年開始在標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上提供。大部分來自頂級(jí)供應(yīng)商的臺(tái)式機(jī)器已經(jīng)至少包含了一個(gè)PCI Express插槽。相對(duì)于PCI，PCI Express最引人注目的進(jìn)步是它點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用于PCI的共享總線被一個(gè)共享開關(guān)所代替，這個(gè)開關(guān)使得每一個(gè)設(shè)備擁有對(duì)總線的直接訪問權(quán)。并且不同于PCI將帶寬分給總線上的所有設(shè)備的是，PCI Express提供給每一個(gè)設(shè)備它自己專用的數(shù)據(jù)流水線。數(shù)據(jù)通過被稱為信道的發(fā)送和接受信號(hào)對(duì)來以包的形式串行傳輸，每個(gè)信道具有單方向250M字節(jié)/秒的速度。多個(gè)信道可以組合在一起形成x1 （“單一的”）、 x2、 x4、x8、x12、x16、和x32的信道帶寬從而提高插槽的帶寬。 圖1、每一個(gè)PCI Express插槽擁有專用的連至PC內(nèi)存的帶寬，而不同于PCI的共享帶寬 諸如數(shù)據(jù)采集和波形發(fā)生器之類的應(yīng)用需要足夠的帶寬來保證數(shù)據(jù)能以足夠快的速度傳輸至內(nèi)存而不丟失或重寫。相對(duì)于傳統(tǒng)的總線，PCI Express極大地提高了數(shù)據(jù)帶寬，減少了對(duì)板載內(nèi)存的需求并且實(shí)現(xiàn)了更快的數(shù)據(jù)流傳輸。初始的信號(hào)頻率，即技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5G位/秒，是32位、33MHz 的PCI可用帶寬的30倍（一個(gè)x16的插槽），并且這一信號(hào)頻率預(yù)期將隨著芯片技術(shù)的進(jìn)步增加至10G位/秒——這是銅線信號(hào)的極限。并且由于PCI Express的可擴(kuò)展信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集廠商可以實(shí)現(xiàn)具有符合設(shè)備所需要信道數(shù)的PCI Express插槽。 圖2、PCI Express提供專用的、可擴(kuò)展的帶寬（高達(dá)傳統(tǒng)PCI帶寬的30倍） 硬件和軟件兼容性 PCI Express保持與傳統(tǒng)PCI的軟件兼容性，但是將物理總線代替成為一個(gè)高速（2.5Gb/s）的串行總線。因?yàn)檫@種體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，所以插槽本身并不兼容。但是，在PCI向PCI Express的過渡過程中，大部分計(jì)算機(jī)主板將既提供PCI插槽又提供PCI Express插槽。具有較少信道插槽的設(shè)備可以“向上插入”至主板上具有較多信道的插槽，從而提高硬件的兼容性和靈活性。但是，“向下插入”至較少信道的插槽是不支持的。 圖3、現(xiàn)今計(jì)算機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)PCI Express插槽大小是x1、x4、x8和x16的信道帶寬 為PCI Express選擇合適的PC作為主機(jī) 大部分來自頂級(jí)廠商的PC現(xiàn)在已經(jīng)至少包含一個(gè)PCI Express插槽了。最常見的插槽大小是x1和x16。x1插槽是一個(gè)通用的插槽用來作為NI PCIe M系列數(shù)據(jù)采集和NI PCIe GPIB設(shè)備的主機(jī)設(shè)備。現(xiàn)在，服務(wù)器級(jí)的機(jī)器需要x4和x8的插槽，以用于那些包含NI PCIe攝像機(jī)鏈路（Camera Link）圖像采集設(shè)備的裝置。然而“服務(wù)器”并不簡(jiǎn)單地意味著高價(jià)格，因?yàn)閮?yōu)良的服務(wù)器也具有與臺(tái)式機(jī)箱可比的價(jià)格。例如，2005年5月， Dell SC240服務(wù)器除了3個(gè)PCI插槽之外，還有一個(gè)x1和一個(gè)x8的PCI Express插槽，報(bào)價(jià)卻為299美元。 圖4、大部分主板包含了PCI插槽和PCI Express插槽 在選擇一個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)最重要的是確保PCI Express插槽被連接到的物理連接的大小。例如，一些廠商使用的主板具有x8的插槽，卻是x4的連接大小。這些插槽上的設(shè)備將只會(huì)運(yùn)行在x4的數(shù)據(jù)速率上。在您向上插入一個(gè)PCI Express設(shè)備的情況下，請(qǐng)保證您使用的計(jì)算機(jī)運(yùn)行在您設(shè)備所支持的最大數(shù)據(jù)速率時(shí)支持向上插入。PCI Express技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅僅要求“向上插入”來工作在x1數(shù)據(jù)速率下。這就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)插入x8插槽的x4的設(shè)備工作在x1的數(shù)據(jù)速率下（250MB/s）。 NI PCI Express設(shè)備 NI是第一個(gè)發(fā)布PCI Express接口的多功能數(shù)據(jù)采集、圖像采集、和GPIB設(shè)備的公司。NI PCIe-GPIB是帶有一個(gè)x1的PCI Express插槽的GPIB控制器。NI PCIe-1429是一個(gè)x4的設(shè)備用于利用Camera Link攝像機(jī)來采集圖像，并且是業(yè)內(nèi)最快的插入式圖像采集設(shè)備，圖像流高達(dá)680MB/s（即每秒傳輸相當(dāng)于一個(gè)CD-ROM的數(shù)據(jù)量）。NI PCIe-6251和NI PCIe-6259是M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它們除了提供32個(gè)10MHz的數(shù)字I/O以及4個(gè)16位、2.8MS/s的模擬輸出通道之外，還提供多達(dá)32個(gè)16位、1.25MB/s的模擬輸入通道。所有這些I/O可以并行地運(yùn)行并且通過一個(gè)x1的插槽數(shù)據(jù)傳輸至PC內(nèi)存以及從PC內(nèi)存中傳輸出來。 圖5、PCI Express M系列提供高速的模擬和數(shù)字I/O 所有NI PCI Express設(shè)備與那些為等同于PCI設(shè)備而設(shè)計(jì)的軟件是后向兼容的。例如，在NI-DAQmx和LabVIEW中為NI PCI-6251編寫的軟件無需修改即可運(yùn)行在NI PCIe-6251上，從而確保您的軟件投資得到保障，同時(shí)您的硬件投資也為未來做好了準(zhǔn)備。