本文簡要介紹PCI Express總線。此外，解釋了NI如何引導對PCI Express的選擇以用于基于基于計算機的測量和自動化的硬件和軟件。 前言 臺式計算機的革新速度是令人震驚的。根據摩爾定律，從集成電路的出現開始，處理速度將每十八個月翻一番。軟件制作人員開發新的軟件和版本來支持最新的處理速度、內存大小和硬盤容量方面的提高，同時硬件廠商發布最新設備和技術來與最新軟件的需求保持同步。這一快速的革新在基于PC的測量硬件和軟件、插入式設備（現在可以高達15MHz的速率提供16位的測量）方面也是十分明顯的。 由于數據采集速率隨著芯片技術的進步而不斷提高，大量的數據必須傳輸至PC進行處理。這些傳輸由那些將設備連接到PC內存的數據總線完成。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，數據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，數據傳輸的速率常常是測量的瓶頸，并且是許多儀器帶有昂貴板載內存的主要原因。 為了解決不斷增長的對帶寬的需要，近來發布了一種稱為PCI Express的新的總線技術。起初是為實現高速音頻和視頻流而設計的，PCI Express現在也用來提高測量設備至PC內存的數據傳輸速率，而且與過去十年的臺式計算機所使用的傳統PCI總線相比，速度提高了30倍。 PCI Express標準 PCI Express的引入是用來克服以前PCI總線的限制。PCI總線是Intel十年前開發和發布的，工作在33MHz和32位環境下，理論帶寬峰值是每秒132MB。它使用共享總線拓撲結構——總線帶寬在多個設備間共享——從而實現總線上不同設備間的通信。隨著設備的發展，新的占用大量帶寬的設備開始吞噬同一共享總線上的其他設備的帶寬。例如，1G網卡可獨占95%的PCI總線帶寬。 為了提供這些新型設備所要求的帶寬，PC行業協會和外設廠商一起開發了PCI Express并且于2004年開始在標準的臺式計算機上提供。大部分來自頂級供應商的臺式機器已經至少包含了一個PCI Express插槽。相對于PCI，PCI Express最引人注目的進步是它點到點的拓撲結構。用于PCI的共享總線被一個共享開關所代替，這個開關使得每一個設備擁有對總線的直接訪問權。并且不同于PCI將帶寬分給總線上的所有設備的是，PCI Express提供給每一個設備它自己專用的數據流水線。數據通過被稱為信道的發送和接受信號對來以包的形式串行傳輸，每個信道具有單方向250M字節/秒的速度。多個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PCI Express插槽擁有專用的連至PC內存的帶寬，而不同于PCI的共享帶寬 諸如數據采集和波形發生器之類的應用需要足夠的帶寬來保證數據能以足夠快的速度傳輸至內存而不丟失或重寫。相對于傳統的總線，PCI Express極大地提高了數據帶寬，減少了對板載內存的需求并且實現了更快的數據流傳輸。初始的信號頻率，即技術標準規定的2.5G位/秒，是32位、33MHz 的PCI可用帶寬的30倍（一個x16的插槽），并且這一信號頻率預期將隨著芯片技術的進步增加至10G位/秒——這是銅線信號的極限。并且由于PCI Express的可擴展信道拓撲結構，數據采集廠商可以實現具有符合設備所需要信道數的PCI Express插槽。 圖2、PCI Express提供專用的、可擴展的帶寬（高達傳統PCI帶寬的30倍） 硬件和軟件兼容性 PCI Express保持與傳統PCI的軟件兼容性，但是將物理總線代替成為一個高速（2.5Gb/s）的串行總線。因為這種體系結構發生了改變，所以插槽本身并不兼容。但是，在PCI向PCI Express的過渡過程中，大部分計算機主板將既提供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、現今計算機上的標準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 大部分來自頂級廠商的PC現在已經至少包含一個PCI Express插槽了。最常見的插槽大小是x1和x16。x1插槽是一個通用的插槽用來作為NI PCIe M系列數據采集和NI PCIe GPIB設備的主機設備。現在，服務器級的機器需要x4和x8的插槽，以用于那些包含NI PCIe攝像機鏈路（Camera Link）圖像采集設備的裝置。然而“服務器”并不簡單地意味著高價格，因為優良的服務器也具有與臺式機箱可比的價格。例如，2005年5月， Dell SC240服務器除了3個PCI插槽之外，還有一個x1和一個x8的PCI Express插槽，報價卻為299美元。 圖4、大部分主板包含了PCI插槽和PCI Express插槽 在選擇一個計算機時最重要的是確保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。這些插槽上的設備將只會運行在x4的數據速率上。在您向上插入一個PCI Express設備的情況下，請保證您使用的計算機運行在您設備所支持的最大數據速率時支持向上插入。PCI Express技術標準僅僅要求“向上插入”來工作在x1數據速率下。這就會導致一個插入x8插槽的x4的設備工作在x1的數據速率下（250MB/s）。 NI PCI Express設備 NI是第一個發布PCI Express接口的多功能數據采集、圖像采集、和GPIB設備的公司。NI PCIe-GPIB是帶有一個x1的PCI Express插槽的GPIB控制器。NI PCIe-1429是一個x4的設備用于利用Camera Link攝像機來采集圖像，并且是業內最快的插入式圖像采集設備，圖像流高達680MB/s（即每秒傳輸相當于一個CD-ROM的數據量）。NI PCIe-6251和NI PCIe-6259是M系列數據采集設備，它們除了提供32個10MHz的數字I/O以及4個16位、2.8MS/s的模擬輸出通道之外，還提供多達32個16位、1.25MB/s的模擬輸入通道。所有這些I/O可以并行地運行并且通過一個x1的插槽數據傳輸至PC內存以及從PC內存中傳輸出來。 圖5、PCI Express M系列提供高速的模擬和數字I/O 所有NI PCI Express設備與那些為等同于PCI設備而設計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行在NI PCIe-6251上，從而確保您的軟件投資得到保障，同時您的硬件投資也為未來做好了準備。