PXI总线是什么？

【专家解说】：PXI总线体系结构 自1986年美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）推出虚拟仪器（Virtual Instruments,简称VI）的概念以来，VI这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。在VI系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。但是，在GPIB、PC-DAQ和VXI三种VI体系结构中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而第一次构建VXI系统尚需较大的投资强度。 1997年9月1日，NI发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范——PXI。 PXI是PCI在仪器领域的扩展(PCI eXtensions for Instrumentation), 它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。 PXI这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。它通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测量用户的要求。PXI规范在CompactPCI机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。PXI 将Microsoft™ Windows NT™ 和Microsoft™ Windows 95™定义为其标准软件框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按VISA规范编写的WIN32设备驱动程序， 使PXI成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费用。 1 PXI机械规范及其特性 由CompactPCI规范引入的Eurocard坚固封装形式和高性能的IEC连接器被应用于PXI所定义的机械规范，使PXI系统更适于在工业环境下使用，而且也更易于进行系统集成。 1.1 与 CompactPCI共享的 PXI机械特性 PXI提供了两条与CompactPCI 标准兼容的途径: 1.1.1 高性能IEC连接器 PXI应用了与CompactPCI相同的、一直被用在象远距离通讯等高性能领域的高级针-座连接器系统。这种由IEC-1076标准定义的高密度（2mm间距）阻抗匹配连接器可以在各种条件下提供尽可能好的电气性能。 1.1.2 Eurocard机械封装与模块尺寸 PXI和CompactPCI的结构形状完全采用了ANSI 310-C、IEC-297 和 IEEE 1101.1 等在工业环境下具有很长应用历史的Eurocard规范。这些规范支持小尺寸(3U=100mm160mm)和大尺寸(6U=233.35mm160mm)两种结构尺寸。IEEE1101.10 和 IEEE1101.11等最新的Eurocard 规范中所增加的电磁兼容性(EMC)、用户可定义的关键机械要素、以及其它有关封装的条款均被移植到PXI规范中。这些电子封装标准所定义的坚固而紧凑的系统特性使PXI产品可以安装在堆叠式标准机柜上，并保证在恶劣工业环境中应用时的可靠性。 图2-28 所示的是PXI仪器模块的两种主要结构尺寸及其接口连接器，其中，J1 连接器上定义了标准的32-bit PCI总线，所有的PXI总线性能定义在 J2 连接器上。PXI机箱背板上包括可连接 J1 和 J2 连接器的所有 PXI 性能总线，对仪器模块来讲, 这些总线可以有选择地使用。 图2-29是用于说明一个完整PXI系统的基本组成部分。PXI 规定系统槽(相当于 VXI 的零槽)位于总线的最左端，而 CompactPCI 系统槽则可位于背板总线的任何地方。PXI 规范定义唯一确定的系统槽位置是为了简化系统集成，并增加来自不同厂商的机箱与主控机之间的互操作性。PXI 还规定主控机只能向左扩展其自身的扩展槽，不能向右扩展而占用仪器模块插槽。 1.2 新增加的电气封装规范 除了将 CompactPCI 规范中的所有机械规范直接移植进PXI规范之外，为了简化系统集成， PXI还增加了一些 CompactPCI 所没有的要求。如前所述，PXI 机箱中的系统槽必须位于最左端，而且主控机只能向左扩展以避免占用仪器模块插槽。PXI 还规定模块所要求的强制冷却气流流向必须由模块底部向顶部流动。PXI 规范建议的环境测试包括对所有模块进行温度、湿度、振动和冲击试验，并以书面形式提供试验结果。同时，PXI 规范还规定了所有模块的工作和存储温度范围。 1.3 与CompactPCI的互操作性 如图2-30所示，PXI的重要特性之一是维护了与标准 CompactPCI 产品的互操作性。但许多 PXI 兼容系统所需要的组件也许并不需要完整的 PXI 总线特征。例如，用户或许要在 PXI 机箱中使用一个标准 CompactPCI 网络接口模块，或者要在标准 CompactPCI机箱中使用 PXI 兼容模块。在这些情况下，用户所需要的是模块的基本功能而不是完整的 PXI 特性。 2 PXI规范的电气性能 表2-7 PXI与VXI总线面向仪器领域的扩展性能比较 参考时钟 触发线 星形总线 局部总线 VXI 10 MHz ECL 8 TTL & 2 ECL 仅 D 尺寸系统 12 线 PXI 10 MHz TTL 8 TTL 每槽一根 13 线 许多仪器应用场合需要而 ISA 总线 、 PCI 总线或 CompactPCI 背板总线所没有的系统定时能力， PXI 总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求。PXI 不仅在保持 PCI 总线所有优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式 PCI计算机多提供三个仪器插槽，使单个 PXI 总线机箱的仪器模块插槽总数达到7个。 PCI总线与VXI 总线面向仪器领域的扩展性能比较参见表2-7。 2.1 参考时钟 PXI规范定义了将10MHz参考时钟分布到系统中所有模块的方法。该参考时钟可被用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号。由于PXI严格定义了背板总线上的参考时钟，而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总线信号的时钟边缘更适于满足复杂的触发协议。 2.2 触发总线 如表2-7所示，PXI 不仅将 ECL 参考时钟改为 TTL 参考时钟，而且只定义了 8 根 TTL 触发线，不再定义 ECL 逻辑信号。这是因为保留 ECL 逻辑电平需要机箱提供额外的电源种类，从而显著增加 PXI 的整体成本，有悖于 PXI 作为21世纪主流测试平台的初衷。 使用触发总线的方式可以是多种多样的。例如，通过触发线可以同步几个不同 PXI模块上的同一种操作，或者通过一个 PXI 模块可以控制同一系统中其它模块上一系列动作的时间顺序。为了准确地响应正在被监控的外部异步事件，可以将触发从一个模块传给另一个模块。一个特定应用所需要传递的触发数量是随事件的数量与复杂程度而变化的。 2.3 星形触发 PXI 星形触发总线为 PXI 用户提供了只有 VXI D尺寸系统才具有的超高性能（Ultra-high performance）同步能力。如图2-31所示，星形触发总线是在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽与其它六个仪器槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的。在星形触发专用槽中插入一块星形触发控制模块，就可以给其它仪器模块提供非常精确的触发信号。当然，如果系统不需要这种超高精度的触发，也可以在该槽中安装别的仪器模块。 应当提出，当需要向触发控制器报告其它槽的状态或报告其它槽对触发控制信号的响应情况时，就得使用星形触发方式。PXI 系统的星形触发体系具有两个独特的优点：一是保证系统中的每个模块有一根唯一确定的触发线，这在较大的系统中，可以消除在一根触发线上组合多个模块功能这样的要求，或者人为地限制触发时间。二是每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能，保证了系统中每个模块间非常精确的触发关系。 2.4 局部总线 如图2-31所示，PXI局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总线。该局部总线具有13线的数据宽度，可用于在模块之间传递模拟信号，也可以进行高速边带通讯而不影响PCI总线的带宽。局部总线信号的分布范围包括从高速TTL信号到高达42V的模拟信号。 2.5 PCI性能 除了PXI系统具有多达八个扩展槽（一个系统槽和七个仪器模块槽），而绝大多数台式PCI系统仅有三个或四个PCI扩展槽这点差别之外，PXI总线与台式PCI规范具有完全相同的PCI性能。而且，利用PCI-PCI桥技术扩展多台PXI系统，可以使扩展槽的数量理论上最多能扩展到256个。其它的PCI性能还包括 ① 33MHz性能 ② 32-bit和64-bit数据宽度 ③ 132MB/s(32-bit) 和264MB/s(64-bit)的峰值数据吞吐率 ④ 通过PCI-PCI桥技术进行系统扩展 ⑤ 即插即用功能 3 软件性能 像其它的总线标准体系一样，PXI定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级（即硬件）接口标准。与其它规范所不同的是PXI在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，以进一步简化系统集成。这些软件要求就形成了PXI的系统级（即软件）接口标准。 PXI的软件要求包括支持Microsoft Windows NT 和95 (WIN32) 这样的标准操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息（configuration information）和支持标准的工业开发环境（如NI的LabVIEW、LabWindows/CVI和Microsoft的VC/C++、VB和Borland的C++等）、而且符合VISA规范的设备驱动程序（WIN32 device drivers）。 对其它没有软件标准的工业总线硬件厂商来说，他们通常不向用户提供其设备驱动程序，用户通常只能得到一本描述如何编写硬件驱动程序的手册。用户自己编写这样的驱动程序，其工程代价（包括要承担的风险、人力、物力和时间）是很大的。PXI规范要求厂商而非用户来开发标准的设备驱动程序，使PXI系统更容易集成和使用。 PXI规范还规定了仪器模块和机箱制造商必须提供用于定义系统能力和配置情况的初始化文件等其它一些软件要求。初始化文件所提供的这些信息是操作软件用来正确配置系统必不可少的。例如，通过这种机制，可以确定相邻仪器模块是否具有兼容的局部总线能力。如果信息不对或者丢失，将无法操作和利用PXI的局部总线能力。 4 结束语 基于CompactPCI工业总线规范发展起来的PXI系统可以从众多可资利用的软、硬件中获益，如运行在PXI系统上的应用软件和操作系统就是最终用户在通常的台式PCI计算机上所使用过的软件。PXI通过增加坚固的工业封装、更多的仪器模块扩展槽以及高级触发、定时和边带通讯能力更好地满足了仪器用户的需要。