【PXI系列科普文】- PXI基础介绍

从今天开始，虹科测试测量团队将为大家带来关于PXI总线相关的一系列科普性文章，如感兴趣欢迎联系进行交流：ltt@hkaco.com。今天主要介绍2部分内容，给大家介绍下PXI的背景和历史，以及关于PXI机箱的整体介绍。

一、PXI的背景与历史

二、PXI机箱

一、PXI的背景与历史

PXI是一种模块化仪器系统，设计上利用了PCI和PCIe总线系统数据高传输速率的优点。该标准为开放式标准，因此任何厂商遵照此标准都可以设计生产合规的产品，同时该标准的内容用于确保来自不同制造商的模块能在来自任何制造商的机箱里正常运行。

PXI标准定义了PXI兼容产品应该具备的机械，电气和软件接口，从而确保将系统集成和软件成本降到最低，同时允许多厂商的产品可以无缝集成在同一套系统中。无论用户的控制器是安装在PXI机箱内的嵌入式控制器还是一台单独的计算机，使用中的PXI系统就如同将用户的控制器端的PCI或PCIe插槽进行扩展。

2005年，此标准扩展为可覆盖两种PCI总线的物理实现：分别是PCI(后来经常被称作经典PCI)和PCIe。这两种总线的大部分软件可兼容，但机械和电气接口部分不兼容。两个版本分别被定义为PXI和PXIe，其中PXI使用PCI的多点并行总线结构，PXIe使用点到点的PCIe串行接口。机箱可以设计为在同一物理插槽支持两种接口方式，从而提供对任何形式模块的支持。通常用缩写PXI(e)作为同时支持PXI和PXIe的说明。

PXI的模块封装形式是以cPCI标准为基础，但是增加了用于支持触发功能的引脚和PXI本地总线。

带有仪器功能的PXI模块安装在机箱里，此机箱可以包含独立的控制器或PCI(e)到PXI(e)的桥接控制器，桥接控制器在PXI机箱与计算机间实现高速通讯连接。

多数PXI仪器模块是简单的寄存器基产品，通过驱动软件配置成可用的仪器，从而可以很好地利用不断提高的计算机性能优势来提高硬件的存取速度，同时简化模块中嵌入式的软件。工作模式为通过与系统控制器的操作系统相兼容的软件驱动，利用中央控制器来实现“智能”系统。

cPCI(CompactPCI) 和PXI模块可以互换使用－它们可以用于cPCI机箱也可以用于PXI机箱－但是将PXI模块安装到cPCI 机箱中将失去PXI模块特有的硬件触发功能和本地总线。然而实际应用中，有大量PXI模块并不支持硬件触发或本地总线。

自PXI标准和PXIe标准推出以来，增加了两个附加的选项：一个是PXImc(PXI MultiComputing)；另一个是针对PXI(e)机箱的触发总线管理系统。迄今为止这些都不曾被广泛采用，但是最近有几个制造商对触发总线管理表现出极大的兴趣。

二、PXI机箱

PXI机箱提供了用来安装PXI模块和给模块强制空气冷却的机械结构，同时提供了DC电源，PCI总线以及PXI特有的功能。通常机箱设计为可以容纳3U或6U的PXI模块，6U模块的高度相当于2个3U模块的高度。通常3U模块通过一个适配器就可以安装于6U机箱中。PXI标准允许设计可同时容纳3U和6U模块的机箱，但迄今为止3U的模块尺寸仍占主导地位。

PXI机箱可以容纳cPCI模块，但是不支持cPCI模块特有的功能(如：后I/O)。

PXI规范支持连接到时钟为33MHz和66MHz的32位和64位PCI总线，以确保各自的理论总线速率达到132Mb/秒至528Mb/秒，这远远超过了通过GPIB和通过VXI接口的传输速度。

规范中允许每个33MHz的PCI总线分段最多包含8个插槽，或者每个66MHz的PCI总线分段最多包含5个插槽。这并未限制机箱里可用的插槽数量，因为更大规模的机箱中通过PCI-PCI桥可以把多个分段相互连接起来。每个PCI桥需要在相互连接的两个分段中各占用一个槽位的电路连接。

很多PXI的机箱和模块都只支持33MHz的操作——66MHz背板的结构复杂(需要更多的扩展桥以使其不超过总线分段的限制)，这意味着速度的提高导致成本增加但对用户的帮助有限，因为在测试系统中背板的速度极少成为瓶颈因素。几乎所有的PXI模块仅支持32位的连接而不支持64位的连接，同时PXI标准也允许机箱仅支持32位的连接。

对于33MHz的系统可以通过一个PCI桥实现14槽的机箱(1槽与13个外设插槽)——其中PCI桥占用两个PCI端口(每个总线分段中占用一个)。

支持66MHz的机箱比较少见，因为每个PCI段上可用的插槽数量太少——14槽机箱需要三个PCI桥而不是一个，因而大幅增加成本。此外，只要系统中有一个模块不支持66MHz的操作则时钟被自动限制为33MHz。而市场上支持66MHz(或64位)的PXI模块非常罕见。

大多数机箱支持64位总线，但是标准中也允许仅支持32位，且必须在数据表中加以说明。这种情况通常用于便携设备以降低电源消耗。

由于受到模块和机箱的限制，大部分PXI系统为运行于33MHz的32位系统，这在降低系统成本的同时也限制了带宽，因而无法达到PXI的标称速度。

PCI桥对于PXI机箱的用户是透明的，但是如果两个模块要通过触发总线传送触发信号时存在额外的困难点，因为触发总线不能直接穿过PCI桥。星形触发可以通过线路穿过第一个PCI桥但是连接数量受限。

当某设备需要使用通过触发总线相连接的两个独立模块时，如果两个模块处于PCI桥的两侧，则设备的操作可能变得复杂甚至失败。因此最好避免这样放置模块。有一份新的文档对软件进行了规范化，使其可以控制所有可用的触发总线连接，但是并未指定触发总线连接，也没有对其功能进行规定。

PCI桥的位置通过竖直短线在背板上和机箱的槽位序号处进行标示。PCI桥在分段间传送数据时会产生1个时钟的延迟。

PXI规范并没有严格规定PXI机箱的构成，但必须包含规范中要求具备的组件。由于这个原因，PXI机箱的性能各有不同，用户需要根据自己的需求来选择合适的产品。需要考虑的事项如下：

系统所需模块的数量。机箱太大则相应的尺寸也大并且价格昂贵，机箱过小则需要同时使用多个。
系统所需模块的尺寸(3U和6U)。如果需要同时使用6U模块和3U模块则需要使用混合尺寸的机箱，以同时支持不同高度的模块。需要注意3U模块可以插入6U插槽，并且能够运行良好，但可能需要适当的机械装置进行固定。某些机箱可能允许3U模块的双叠加应用——将两个3U模块安装在一个6U插槽中。
诊断功能。支持对电源和风扇持续监测以确保其状态正常。
电源容量。太小的电源无法支持高耗电的模块。某些测试系统可能对某一路电源有较高要求，例如与仅测试逻辑电路的系统相比，某些模拟或者射频功能需要±12V电压轨能够提供更大电流供应。依照2.1版规范设计的机箱可能提供比按此前版本规范设计的机箱更多的电源。另有一个小功率版本的规范，与全电源规范相比机箱的功耗更低。
风扇气流容量影响PXI模块的冷却速率，并且影响每个模块的最大功耗。风扇转速控制器可以降低正常温度下机箱的声学噪声，并且降低测试系统中温度的波动，但是在实际使用中此功能并非决定因素。如果用于办公环境中，并且模块自身发热不高，则更适合选用制冷量较低且声学噪声较低的机箱。风扇气流容量指示的是风扇的性能而不一定表示实际机箱中的空气流量——实际空气流量还与机箱中安装的模块有关，不同的模块具有不同的风阻特性。
内置显示器可以帮助用户监视测试过程，但需要占据一些机箱空间。内置显示器在设计和开发阶段可能比较有帮助，但当测试系统部署于自动测试环境中后就基本不再需要。只有极少数应用需要在机箱中包含显示器。
包含其它驱动器，例如CD或者DVD。这是为了直接载入程序或者大量数据，同样这些配置在PXI(e)系统中也不常见。
如果必须使用硬件触发，需要机箱支持跨越总线分段的触发总线。

以上是对PXI机箱的整体描述，后续章节会提供更多细节。