總線基礎(chǔ)：串行總線與并行總線

在計算機系統(tǒng)中，總線（Bus）是連接各個功能部件并在它們之間傳送信息的公共通信干線?？偩€按照信息傳輸?shù)男问剑饕譃椴⑿锌偩€和串行總線。

1. 并行總線是并行接口與計算機設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)的通道。在并行總線上，每個數(shù)據(jù)位都需要單獨一條傳輸線，所有的數(shù)據(jù)位同時進行傳輸。這種總線類似于一條允許多輛車并排開的寬敞道路，因此能夠在同一時刻傳輸多位數(shù)據(jù)，適用于短距離的高速數(shù)據(jù)傳輸。
2. 串行總線則是通過收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到外部線纜或從外部線纜讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按位依次讀取。在串行總線上，數(shù)據(jù)是時分復(fù)用在一根或幾根線上傳輸?shù)?，這可以大大減少所需的走線數(shù)量。串行總線如同一條只容許一輛車行走的狹窄道路，在同一時刻只能傳輸一個數(shù)據(jù)，常用于遠距離通信或低速設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。

PCI、PCIe與PXI的關(guān)系及演化

1. PCI（Peripheral Component Interconnection）：PCI是Intel公司于1991年推出的局部總線標準，是一種32位的并行總線（可擴展為64位），總線頻率為33MHz（可提高到66MHz），最大傳輸速率可達528MB/s。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、設(shè)計容易，但總線帶寬有限，多個設(shè)備共享總線帶寬會導(dǎo)致性能下降。
2. PCIe（PCI Express）：PCIe是PCI-SIG在PCI之后推出的高速串行總線，已經(jīng)發(fā)展和定義了六代，每一代常用Gen來表示。PCIe的主要優(yōu)勢是數(shù)據(jù)傳輸速率高，總線帶寬獨享。不同通道數(shù)量的PCIe裝置之間的連接稱為連結(jié)（Link），每個連結(jié)可以有多條通道（Lane），常見的通道數(shù)量為x1、x4、x8以及x16。隨著版本的升級，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，例如PCIe 3.0的最大傳輸速率可達1GB/s。
3. PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）：PXI是由National Instruments（NI）公司在1997年提出的，基于CompactPCI并加入觸發(fā)信號與時鐘信號的測量和自動化平臺。它結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，適用于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合。PXI繼承了PCI的電氣信號，具有高達132MB/s到528MB/s的傳輸性能。
4. PXIe（PXI Express）：2005年，在CompactPCI Express的基礎(chǔ)上加入觸發(fā)信號與時鐘信號，提出了PXI Express標準。PXIe使用PCI Express串行接口，提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更強大的系統(tǒng)擴展能力。

PXIe的定義

PXIe（PCI Express Extensions for Instrumentation）是一種基于PCI Express總線的開放式標準，主要用于工業(yè)自動化和測試測量等領(lǐng)域。PXIe結(jié)合了PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和PXI平臺的堅固性和模塊化特性，形成了適用于高性能測試和測量應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范。

與傳統(tǒng)的總線相比，PXIe在數(shù)據(jù)傳輸速率、模塊化擴展能力、時間同步精度和可靠性等方面具有顯著優(yōu)勢。PXIe系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到高達數(shù)GB/s，遠超過傳統(tǒng)總線的性能，同時提供了靈活的模塊化擴展能力，使得用戶可以根據(jù)實際需求定制系統(tǒng)配置。

PXIe系統(tǒng)的組成

一個PXIe系統(tǒng)通常由以下幾個關(guān)鍵組件組成：

1. 機箱：提供堅固的外殼和背板設(shè)計，用于安裝和保護所有外設(shè)模塊。機箱還提供了必要的電源和散熱系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
2. 背板：背板是PXI系統(tǒng)的核心組件之一，它提供了多個PXI插槽和通信總線（PCI總線），用于連接外設(shè)模塊。背板還負責(zé)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。
3. 控制器：控制器是PXI系統(tǒng)的“大腦”，負責(zé)系統(tǒng)的控制和管理。它通常配備高性能的多核處理器和大容量的存儲設(shè)備，以滿足復(fù)雜的測量需求?？刂破骺梢酝ㄟ^PCI接口與計算機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。
4. 外設(shè)模塊：外設(shè)模塊是PXI系統(tǒng)的功能單元，提供各種測試和測量功能。這些模塊可以根據(jù)需求靈活組合，構(gòu)建完整的測試系統(tǒng)。常見的外設(shè)模塊包括數(shù)據(jù)采集卡、模擬量輸入輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡等。

在PXIe系統(tǒng)中，機箱中的背板提供了各個模塊之間的電氣連接，確保數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸。系統(tǒng)控制器作為系統(tǒng)的核心，負責(zé)運行測試軟件，控制外設(shè)模塊的操作，并處理采集到的數(shù)據(jù)。

PXIe的信號

PXIe除了繼承PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力外，還定義了一些與測試有關(guān)的信號線，如電源管理（Power）、觸發(fā)總線（Trigger Bus）、星型觸發(fā)（Star Trigger）和時鐘信號線（PXIe_Clk100）等。這些信號線為多個儀器模塊的同步和觸發(fā)提供了便利。

1. 100MHz參考時鐘：PXIe規(guī)格定義了一個低歪斜（Low Skew）的100MHz參考時鐘，位于背板上，并分布至每一個外設(shè)槽，確保每個外設(shè)槽所接受的時鐘信號相位一致。
2. 局部總線：在每個外設(shè)槽上，PXIe定義了局部總線，連接相鄰的左方及右方外設(shè)槽，用于傳送數(shù)字信號和模擬信號。
3. 星型觸發(fā)：在特定的外設(shè)槽（如2號槽）上，定義了星型觸發(fā)信號線，允許在同一時間向多個儀器模塊發(fā)送觸發(fā)信號。

此外，PXIe還保留了PXI平臺的10MHz參考時鐘和局部總線等信號，以確保與現(xiàn)有PXI系統(tǒng)的兼容性。

PXIe的應(yīng)用

憑借其高性能、模塊化和靈活性，PXIe在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

1. 工業(yè)自動化：PXIe系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制生產(chǎn)線上的各種設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
2. 測試測量：在半導(dǎo)體測試、軍用電子測試、消費電子產(chǎn)品測試等領(lǐng)域，PXIe系統(tǒng)提供了高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集和分析能力。
3. 硬件在環(huán)測試：在汽車電子、航空航天等行業(yè)中，PXIe系統(tǒng)能夠模擬實際工作環(huán)境，對控制系統(tǒng)進行實時測試和驗證。
4. 射頻和通信測試：PXIe系統(tǒng)支持高速數(shù)據(jù)采集和實時信號處理，適用于無線通信、雷達等領(lǐng)域的測試應(yīng)用。

結(jié)語

PXIe作為一種高性能、模塊化的測試和測量平臺，結(jié)合了PCI Express的高速數(shù)據(jù)傳輸能力和PXI平臺的堅固性和模塊化特性。通過了解總線的基礎(chǔ)知識，特別是串行總線和并行總線的差異，我們可以更好地理解PXIe系統(tǒng)的組成、信號和應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，PXIe將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動工業(yè)自動化和測試測量技術(shù)的不斷進步。