基于高带宽的PXI Express平台 实现高速数据记录（2） 带宽, 记录

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图三、配置为4-Link的凌华科技PXES-2780机箱示意图

若将PXI Express系统槽位设置成2-Link x8， 则可得到更高的传输带宽。凌华科技的PXES-2780机箱，其系统槽位可通过软件设置成2-Link x8接口，其架构如下图4。使用该架构，槽位8与槽位12可以提供x8的带宽。

图四、规划成2-Link的凌华科技 PXES-2780机箱示意图
使用者若能熟悉PXI Express机箱的规划架构，将能使模块化仪器在传输大量数据上获得更佳的传输性能。
l 系统内存与操作系统(OS)
在PXI Express系统控制器上，若能配有大容量的系统内存，则可延长数据记录的时间。然而搭配不同的操作系统(Operating System)可能会有不同的内存上限。例如对于32位的操作系统，其内存寻址空间通常不能超过4GB，而对于64位操作系统而言，一般可达512GB或者1TB的内存寻址。因此使用者需根据自身的需求来选择合适的操作系统，以支持所需的内存空间。
l 存储装置
要能稳定的执行大数据的读写工作，选择合适的存储装置极为重要。硬盘(HDD)是一种具有特别的机械装置，内含有高速旋转的磁盘以及具有磁性的读写头，来回于磁盘表面上，用以读取磁盘内所存储的数据单元。由此可知，读或写的速度将会受限于读写头的移动速度。为了增加读写的速度，几个硬盘通常会被组合起来成为一个虚拟的硬盘，这也是大家所熟知的RAID(Redundant Array of Independent Disks)，即磁盘阵列。另外最近越来越流行的固态磁盘则因为没有读写头的机械移动问题，因此能提供较硬盘更好的读写效率。若考虑到最佳的读写性能的话，固态磁盘将会是最佳的选择。
应用示例一、数据记录至系统内存
材料结构测试的高速数据记录
l 方案需求
某系统集成商想要开发一套多通道材料震动监控设备，并能够实现从不同的传感器同时进行1MS/s~50MS/s采样率的数据采集，同时将采集进来的数据记录到系统内存中，以直接进行后续的处理，而不需要将数据记录到磁盘上做存储。另外该系统集成商希望每个采集通道能够记录至少5~10秒的时间。接下来我们会针对这些应用条件进行评估，并讨论使用PXI Express平台实现这类型应用时，不同的采样率在设计上会遇到的瓶颈有哪些。
l 评估
下面是我们用来评估这个高速数据记录系统会使用到的组件:
ü PXI Express机箱: 凌华科技PXES-2780，18槽PXI Express机箱
ü 数字化仪: 凌华科技PXIe-9848，高速8通道100 MS/s 14位PXI Express数字化仪
首先我们先考虑PXI Express机箱中只有单一数字化仪的状况。下表是单一数字化仪在不同采样率下，以不同采集时间所需要的内存评估表。

当只有一张PXIe-9848时，以100MS/s进行8通道的采样时，总数据带宽为1.6GB/s。然而PXIe-9848其接口为PCIe x4且为Gen 1，因此若要进行连续不断的数据记录时，其产生的数据量最好能低于1GB/s。若将采样率降低至50MS/s，则PXIe-9848能产生800MB/s数据量。由于PXES-2780机箱采用PCIe Gen2规格，因此能够负荷800MB/s的数据量。若要以50MS/s采样率进行10秒长度的采样，则进一步的限制会落在系统内存大小上，以此状况下，需要8GB系统内存。若系统内存无法分配出高达8GB的系统内存供数字化仪使用，则必须缩减采样时间的长度。
接下来，我们再来考虑多张卡片安装于同一系统的状况。若想要达到最多采样通道，那么最多则可以把17张PXIe-9848数字化仪，安装于机箱内，那么此时除了考虑PXI Express控制器的系统带宽外，还要把PXI Express背板上的PCIe连接配置也考虑进去。
我们观察PXES-2780机箱的连接配置，如图四所示，它上面的PCIe switch#1上游有两个x4的连接通道，下游有三个x4连接通道，因此以平均来说，每个下游通道可从上游通道分得约1.33GB/s的带宽(4GB/s ÷ 3 ports)。PCIe switch#2也可用相同的计算方式来换算其下游带宽。至于PCIe switch#3与#4的下游通道约可分别分得222MB/s (1.33GB ÷ 6 ports)及190MB/s (1.33GB/s ÷ 7 ports)的带宽。若每个数字化仪都使用同样的采样率，则带宽瓶颈会出现在位于第10、13~18插槽的数字化仪上。

图五、配置成PCIe x4 link的机箱带宽预估示意图
若我们根据第10、13~18槽的带宽限制，来计算不同采样时间长度所需的系统内存，其结果如下表:

由上表评估结果可知，若以5MS/s采样率进行5秒钟连续采样，17张数字化仪共需系统内存达6.8GB大小。若采样率达10MS/s，则记录时间会缩减至2秒(需5.44GB内存)，若仍需要加长记录时间，则数字化仪上的板载内存将可延成某个程度的记录时间。
应用示例二、数据记录至磁盘
激光监控中高速光二极管的信号采集
l 方案需求
客户的应用是有关激光信号监控，需要采集光二极管的信号且需为便携式的设计。只需要采集一个通道，但采样率需高达200MS/s。
l 解决方案
由于客户需要高达200MS/s的单通道采样率，因此以凌华PXIe-9842及便携式的PXI Express机箱PXES-2590为应用组合，以此提供高达400MB/s的数据记录速率。由于需要将数据记录至磁盘，而PXI Express控制器上的磁盘装置一般很难提供高达400MB/s的带宽，即使使用SSD也很难，因此使用外部的RAID存储装置来进行数据存取。我们使用的RAID模块是PXI Express接口且具有4个SATA III界面的SSD。
ü PXI Express系统控制器: 凌华科技PXIe-3975，3U Intel® CoreTM i5-520E 2.4GHz 双核 PXI Express系统控制器
ü PXI Express机箱: 凌华科技PXES-2590，9槽全混和式PXI Express机箱
ü 数字化仪: 凌华科技PXIe-9842，14位200 MS/s采样率的PXI Express数字化仪
ü RAID存储装置: Conduant DM-425

结论
要以PXI Express平台来实现数据记录的应用，需要考虑的不只是模块化仪器本身的条件，更要考虑到PXI Express平台的数据传输带宽。通过本文中所探讨的设计上的细节及应用范例，用户将能有效构建更高性能的测量测试平台、大幅提升开发效率。
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