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: May 2, 2011 發表日期

何謂 PXImc？概觀

現今的測試與控制系 統，均朝著更大型、 更複雜，且更精細的 趨勢邁進。而這些精 細系統又造成新的難 題，如更高速度、更 多通道數的資料擷 取、資料產生，與行 內 (Inline) 資料處理作業。新的測試、量測、控制系 統除了必須滿足上述 需求之外，亦要能達 到低成本、可調整、 高彈性，且不同製造 商的產品要能互用的 特色。這些問題最根 本的核心，即在於工 程師能以最低延遲而傳輸/處理大量資 料。

目錄

了解其內在技術預期與實際測得的頻 寬/潛時效能透過 PXImc 建立多重電腦的高效 能測試與控制系統結論下列步驟：搶先體驗 方案相關資源

 

 

PXI MultiComputing (PXImc) 規 格，即由 PXI 系統聯盟 (Systems Alliance) 於 2009 年 11 月所發表，即 欲透過低成本的現成 技術，滿足上述系統 需要。此規格定義 為：必須透過 PCI Express 的非透明橋接 (Non- Transparent Bridge， NTB)，搭配 PCI 或 PCI Express 架 構的介面，讓軟、硬 體連接 2 組以上 的智慧型系統。 PCI Express 匯 流排則可達到數個 GB/s 的資料傳輸率，且僅數個微 秒 (Microsecond) 的潛時；因此極適用 於高階資料傳輸作 業。

此篇技術文章將說 明 PXImc 的 細節，與相關的適用 案例。

了解其內在技術

圖 1 為典型 PCI Express 架 構系統的拓撲。運算 系統在溝通 PCI 介面卡時， 將透過單一的主匯流 排介面，或稱 Root Complex。而 運算系統將介接此 Root Complex，為 系統中的所有 PCIExpress 介 面卡指派所有必要資 源。

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圖 1. PCI Express 系 統拓撲

 

如剛剛所說， PXImc 是將 PCI 或 PCI Express 作 為實體通訊層，而達 到高頻寬且低潛時的 通訊作業。若有 2 組系統各自具備 其 Root Complex，則 因為此 2 組 PCI 之間將產生不同的衝突，即如匯 流排所有權 (Bus ownership) 與末端 (Endpoint) 資源分配；將無法直 接透過 PCI 或 PCI Express 相 互連接。

而非透明橋接 (NTB) 將可合 理區隔此 2 組 PCI 網域；同時 提供轉譯機制，將其 中 1 組 PCI 網域的特 定 PCI 交易 (Transaction)， 轉譯為另 1 組 PCI 網域的對應 交易。

圖 2 所示即為此 概念。A 與 B 系統均各自控制其網 域內的資源分配， 而 NTB 並不會 影響此 2 組系統 的資源分配演算法。

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圖 2. 此處的 A 與 B 系統是 使用 Non- Transparent Bridge (NTB) 功能， 透過 PCI Express 而 互連

 

NTB 將根據 Root Complex 的 資源需求，並取得特 定數量的實體定址空 間 (Address space)，以對 應至系統中的其他類 似 PCI 末端。 系統 BIOS 將 針對 NTB 指派 實體定址空間的範 圍。一旦 A與 B 系統均發生此資 源分配作業，則 NTB 將同時在 此 2 個 PCI 網域中取得 資源。如圖 3 中 所示，由 NTB 在 A 系統的 PCI 網域中取得 定址空間之後，隨即 作為 B 系統 PCI 網域的實體定址空間窗口；於 B 系統 PCI 網域中所取得的定址 空間，亦可作為 A 系統 PCI 網域的實體定址空間 窗口。

在 A、B 系統均 執行資源分配之後， NTB 即具備記憶 體機制，可於 2 組系統之間傳送資 料。如 Scratch pad 暫存區可傳 送資料、 Doorbell 暫存區可判定 (Assert) 中斷，而定址空間的大型區塊可跨 NTB，編譯至相對 的定址空間。

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圖 3. 使用 NTB 於 2 組 PCI 網域之 間所產生的通訊機制

 

NTB 並非全新技 術，而是因為產業缺 少標準化的方式溝 通 PCI 層級。 在 NTB 作為通 訊通道之前， NTB 解決方案往 往必須設計客制化的 軟、硬體。

由 PXI 系統聯 盟 (PXISA) 所 開發的 PXI MultiComputing (PXImc) s 規格，則定義了軟、 硬體元件的需求，也 因此得以標準化 PCI 或 PCI Express 系 統之間的通訊作業。 從硬體角度來說， 若 2組獨立系統 能直接透過 PCI 或 PCI Express 溝 通，即可解決多個難 題。再從軟體來看， 在建立通訊方式之 後，可讓系統個別設 定自己的資源，以溝 通其他系統。

預期與實際測得的頻 寬/潛時效能

由於 PXImc 是將 PCI Express 作 為實體通訊層，因 此 PXImc 的 連結效能，將依所使 用的 PCI Express 介 面卡類型而有所不 同。表 1 則為不 同 PCI Express 連 結下的理想頻寬。

PCI Express 連結

產生 理想單向傳輸率 理想雙向傳輸率

x4 Gen 1 1 GB/s 1 GB/s x2

x16 Gen 1 4 GB/s 4 GB/s x2

x4 Gen 2 2 GB/s 2 GB/s x2

x16 Gen 2 8 GB/s 8 GB/s x2

表 1. 不同 PCI Express 連 結的理想頻寬

 

為了比較常見 PXImc 與其他 替代方案的連結效 能，NI 則透過原 型硬體與基本軟體堆 疊，執行數項初始的 效能比較作業。比較 作業使用 2 組 NI PXIe- 1082 - PXI Express 機 箱，且各自安裝 1 組NI PXIe- 8133 - PXI Express 嵌 入式控制器，再透過 原型的 x4 Gen 1 PCI Express 架 構 PXImc 硬 體而相連。在此設定 中，可達單向 6 µs 潛時與 670 MB/s 傳輸率。而與 Gigabit Ethernet相較，此種效能幾乎 提升 10 倍頻寬 與 100 倍潛 時；證明 PXImc 實為高 效能多重電腦測試/ 控制系統的絕佳介 面。如同 PCI Express 標 準不斷提升， PXImc 的連結 效能亦將持續進步。

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透過 PXImc 建立多重電腦的高效 能測試與控制系統

目前共有 3 種應 用可從 PXImc 獲得最 高效益：1) 混合 式的高效能測試/量 測系統；2) 透過 多組多核心 CPU 進行分散式 處理的應用；3) 於單一系統使用 x86 CPU 作 為協同處理器 (Coprocessor)的應用。

混合式的高效能測試 /量測系統

如硬體迴圈 (HIL) 的複雜 量測/控制系統，往 往透過多組離散式子 系統而提供不同函 式。這些子系統又常 以不同的硬體平台所 建構，進而滿足硬體 平台的功能需求。

針對不同硬體平台的 子系統， PXImc 規格則 可透過高頻寬/低潛 時的接線式 PCI Express 而 溝通。針對由不同硬 體平台所建構的混合 式高效能量測系統， 將可使其完美兼顧效能、彈性，與成本。

若跟乙太網路或反射 記憶體 (Reflective memory) 相 較，將 PXImc 作為系 統內部的通訊匯流 排，將可縮短測試時 間並加快迴圈執行速 度。而對 HIL 系統來說，更可加速 執行特定作業，並能更精確模擬實際條 件。

圖 4 則為此種系 統的常見設定。在此 範例中，PXI 主 系統是透過高傳輸 率、低潛時的 PXImc 連結， 而溝通次要的 PXI 系統與高效 能箱型儀器，進而建 構混合式的高效能量 測系統。

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圖 4. 以 PXImc 為架 構，高效能混合式量 測系統的常見設定

以多核心 CPU 進行分散式處理作業

以訊號情報 (SIGINT) 與即時高效能運算 (RTHPC) 應 用為例，其 Real- Time 或行內 (Inline) 資料處理功能，往往 需要極高的處理效 能，才能跟上資料流 的速度。這些應用必 須透過高頻寬、低潛時的通訊介面，進而 分配多個離散處理節 點之間的作業負擔。

針對某些分散式處理 系統，則使用 FPGA 與離散式 數位訊號處理器 (DSP)，即可滿 足上述需求。但特定 應用亦可能需要現 有 x86 架構的 軟體 IP，或必須 執行浮點運算。在此 條件下， PXImc將可建 立分散式處理系統， 並將最新的多核心 CPU 電腦做為外 部運算節點。

如此不僅可滿足上述 需求，且與使用 FPGA/客制化 DSP 的系統相 較，更能減少系統開 發時間與除錯次數。

圖 5 的彈性分散 式運算系統，即是 以 PXI Express 系 統與 PXImc 介面卡所建構。

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圖 5. 以 PXI Express 系 統與 PXImc 介面卡所建構的分散 式運算系統範例

 

在此範例中，主控制 器負責彙整各個 I/O 模組所擷取 的資料，再透過 PXImc 將資料 分配至 4 組 x86 架構的運算 節點。根據所需處理 效能的不同，運算節 點可為一般電腦，亦 可為高端工作站。

NI 已於 NIWeek 2010 呈現了此 設定架構的系統，並 展示了 Real- Time 的高效能 運算系統。

x86 架構的協同 處理 (Coprocessing)

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PXImc 規格可 讓處理系統內建 PCI Express NTB。亦即此種處 理模組可用於 PXI Express 機 箱的週邊插槽，並使 用機箱背板中的 PCI Express 訊 號功能，以溝通主控 制器。若能將處理功能打造為機箱內的週 邊模組，將可大幅提 升單一系統的處理功 能，並可為精巧且堅 固的解決方案。此項 特性極適合用於高處 理需求的量測應用， 且可因應系統體積限 制/可攜性的需求。

PXImc 規格亦 可針對 PXImc 與其 他 PCI Express 介 面卡之間，直接進行 點對點 (P2P) 通訊作 業。透過此功能，如 週邊處理模組的 PXImc 介面 卡，將不需佔用主控 制器資源，即可直接 溝通PCI Express 介 面卡。此功能亦可於 單一 PXI 機箱 中建立子系統，因此 能完整利用機箱資 源。

圖 6 顯示單一 PXI 機箱中的週 邊處理模組選項，還 有 2 種可用的通 訊方式。

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圖 6. 透過 PXImc 規格， PXI 系統現在可 於單一機箱中安裝多 種週邊處理模組。

結論

由 PXISA 所 開發的 PXImc 規格， 為不同製造商可相互 操作的解決方案。透 過高傳輸率與低潛時 的通訊介面，可連接 多個智慧型系統，以 支援系統需求越來越 高的應用 (如 HIL 與 SIGINT)。

PXImc 除了可 擴充 PXI 平台 的功能之外，亦可支 援如混合式系統、分 散式處理、機箱內協 同處理的多種設定， 進而建立複雜的量測 系統。

下列步驟：搶先體驗 方案

立刻報名參加 NI 的 PXImc 搶先體 驗方案 (Early Access Program)， 請至 提供必要資訊。請 於下拉式清單中點選 「EAP for PXImc」。ni. com/beta

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