随着个人计算机技术的演变，使用标准桌面系统及便携计算机进行复杂的测试、控制和设计应用的能力亦获得大幅的改善。扩充的经济性也使人能够有效运用标准计算机上的GHz级处理器及数GB的内存，比厂商在量测仪器中安装处理器和内存更加节省成本。同时，商业市场上为现代电子设计的芯片技术也被测试及控制产业重新定义其用途。举例来说，模拟及数字转换器最初是为了电子设备而设计，诸如手机和DVD播放器，但是现在也为PC数据撷取设备提供更快的速度和准确性。和仪器厂商自行设计组件比较起来，这些高生产力的商业组件价格极为低廉，设计周期也快得多。透过运用这些在PC和芯片技术方面的进步，低价位的PC嵌入式设备不但可以执行量测及控制，而且提供传统仪器不曾提供的准确性和处理速度。

随着撷取速度提升，这些虚拟仪器的一个共同瓶颈在于能否迅速而容易地将数据从测量设备传送到PC内存。传统总线技术（例如GPIB以及串行端口RS/232）往往需要仪器厂商在仪器上安装内建内存，以便暂时存放因总线带宽限制而无法及时转移到PC上的数据。在过去十年里，个人计算机业以PCI总线作为标准，针对此总线设计的嵌入式设备的数据带宽比GPIB提高了十倍，而且在许多情况下，不再需要大量的内建内存。同时，使用缆线的总线（例如USB）也因为其可移植性及使用简易的特性，而在测试及量测应用中变得极为普遍。当虚拟仪器使用最新的模拟及数字转换器技术而获得更快速的数据传输率之时，使用PCI 和USB的系统再次遭遇总线限制数据传送至PC内存的速度限制。为了满足日渐提高的带宽需求，新的技术（包括PCI Express及高速的USB 2.0）已经可以将大量的数据从设备传送到PC，同时确保向下兼容性，并提高使用简易度。

PCI Express上场

PCI Express是由PC及外围设备厂商（包括英特尔在内）联合开发，于2004年开始应用在标准的桌上型PC。目前大部份由主要供货商推出的桌上型机器至少都附有一个PCI Express插槽。PCI Express保持与传统PCI的软件兼容性，但是在实体总线方面则使用高速（2.5Gbps）序列总线加以取代。数据以封包的方式，透过成对的传送及接收讯号（称为lanes）进行传送，每个lane的每个方向皆提供250MB/s的带宽。多个lane可以加以编组，构成x1、x2、x4、x8、x12、x16及x32的lane宽度，以提高至插槽的带宽。而且PCI Express不像PCI是将带宽分配给总线上的所有设备使用，而是为系统中的每一个插槽提供专用的带宽。

大幅改善带宽及延迟的问题

数据撷取及波形产生之类的应用程序需要稳定的带宽及最低的延迟时间。若要确保数据能够以足够的速度传送到内存，而不至于漏失或是被覆写，就需要充足的带宽。延迟是指讯号（例如组态或开始命令）送出及接收所需的时间。对于以太网络之类的总线而言，长延迟是常见的现象，这也是此类总线一直没有被广泛用来做为PC测试之用的主要原因。原先的PCI规格并没有处理这些问题，因为PCI规格推出之时，PC上的高速数据串流应用程序并不多见。因此，采用此总线的数据撷取设备需要内建内存做为数据缓冲区，以因应数据传输时不断变动的带宽。今日，诸如未压缩之串流影音等数据传输需要PC的I/O子系统提供稳定的带宽及最低的延迟时间，以防止数据不连贯。为了满足这些需要，PCI Express结合了一个等时性数据传输模式，允许设备以最低的延迟时间保留预先定义的带宽。数据撷取应用程序亦获益于此项功能，因为PCI Express设备需要用来作为数据缓冲的内存低于传统PCI设备。

《图一 每个PCI Express插槽拥有专用的带宽》

PCI Express大幅提高数据带宽。它的规格（2.5Gbps）提供的初期讯号频率带宽是32位、33MHz PCI可用带宽的六十倍（使用x16插槽），而这个讯号频率可望随着芯片技术的提升而达到各方向10Gbps的程度，这也是铜线中讯号的实质限制。而且由于PCI Express的lane拓朴，数据撷取厂商可以根据设备的需求，使用具备适合该设备之lane数量的PCI Express接头。具备较少量lane的设备可以插在主板上较大的主连接器，提高硬件兼容性和弹性。

《图二 各接口带宽与传输时间比较》

软件兼容性最重要

PCI Express规格亦确保软件的兼容性。PCI Express设备的组态空间及可程序能力与传统的PCI技术相同，没有改变。事实上，所有的操作系统都可以使用PCI Express技术开机，不需做任何修改。在开机时，操作系统可以发现所有的PCI Express设备，然后分配系统资源（例如内存、I/O空间以及插断），以建立最佳的系统环境。而且由于PCI Express的物理层对应用程序软件而言是透明的，因此原本为PCI设备撰写的程序可以继续在具备同样功能的PCI Express设备上执行。在保护厂商和用户的软件投资时，PCI Express与传统PCI的这种软件向下兼容性非常重要。

USB 2.0提升外接设备的带宽及使用简易度

就和PCI Express为嵌入式设备带来的效能提升一样，USB 2.0的高速也在带宽及讯号延迟方面，为外接式数据撷取设备带来提升。USB已经成为将外围设备连接至PC的实质标准，数据撷取设备也不例外。此种总线的即插即用和热插入功能使得它使用起来极为容易，链接的设备可以被主机自动侦测及设定组态。驱动程序可以动态进行加载及卸除，在安装过程中不需要关闭设备或PC的电源。USB 2.0的另一项优势是总线在传送数据讯号的同一条缆在线提供电力，因为不需要专用的AC电线，因此往往可以简化连接性及可移植性。

和USB 1.1比较起来，USB 2.0规格在带宽和延迟时间上做了极大的改进。USB 1.1提供的1.5MB/s速度很快就成为大量数据传输（例如高速数据撷取）的限制因素。USB 2.0将这个速度提高四十倍，使带宽提高到60MB/s。就和PCI Express一样，USB 2.0提供等时性传输，但是也加入另外三个数据传输模式，可以由厂商加以启动。举例来说，bulk transfer mode提供数据接收确认功能，在需要确保数据完整性的应用上（例如数据撷取），可以确保传输无误。

USB 2.0标准的推出一共创造出三种等级的USB设备：低速（1.5Mb/s）、全速（12Mb/s）以及高速（480Mb/s）设备。USB 2.0和USB 1.1完全兼容，而且低速、全速及高速设备都可以并存于一个USB端口上。除了带宽的提升之外，USB 2.0亦推出新的方法，改善数据传输的效率。数据框（Data frame）指分配给封包传输的时间区段，从1ms切割成八个125μs数据框，每个数据框传输的数据字节数量也大幅增加。由于大量的数据封包会占用大量的带宽，因此采用新的交握指令（handshaking command），以确保主机已经预备妥当，并且可以接收全部的序列数据封包。USB 2.0也引进分割处理（split transactions），可以防止全速和低速的设备拖慢总线的速度。利用分割处理，主机可以和总线上的高速设备通讯，而不需要等候低速设备传回通讯。

展望

当PCI Express和USB 2.0之类的PC总线技术继续提升数据带宽、效能及使用简易性时，使用PC设备进行量测及控制的优点也更加明显。事实上，由于建立在计算机技术的基础上，虚拟仪器永远会随着新的通讯、处理及内存技术的推出而不断进步。目前PCI Express和USB 2.0仍处于渐渐普及的阶段，同时使用传统PCI和USB 1.1及这些新技术的混合系统仍有数年的寿命。透过这些新技术与其前代技术之间的软件兼容性，以及USB 1.1和USB 2.0之间的硬件兼容性，可以使这个转换过程更加顺利。但是这两项新技术的优点很明显，而且随着PC的测试及控制系统继续推动对带宽的要求，PCI Express和USB 2.0可以更快速将数据传送到PC，从而完全发挥PC不断提升的处理器速度和内存数量的优势。USB 2.0已经促使大量容易使用的新款数据撷取设备出现，而随着PCI Express的发表，采用新款总线标准的新一代嵌入式数据撷取设备也必然随之推出。

（作者为NI美商国家仪器DAQ产品经理）

延 伸 阅 读

（作者为NI美商国家仪器DAQ产品经理） 我们将详细介绍如何利用Agilent 81250A ParBERT 进行误码率量测，以及如何设定此设备来编辑码型，并解说抖动注入、容许度、以及传输功能 ... PCI-Express 芯片组包含TX（传送器）和RX（接收器），在目前这一代标准的定义中，两者各有不同的实体参数。相关介绍请见「」一文。 PCI-Express误码率测试 作为与Intel有密切合作的联盟伙伴，凌华科技受邀参加此次英特尔通讯联盟的展示宣传，在展出其ETXexpress嵌入式新品和系统产品的同时，还有资深技术人员发表题为“嵌入式技术趋势与解决方案”的精彩演讲。你可在「」一文中得到进一步的介绍。 作为与Intel有密切合作的联盟伙伴，凌华科技受邀参加此次英特尔通讯联盟的展示宣传，在展出其ETXexpress嵌入式新品和系统产品的同时，还有资深技术人员发表题为“嵌入式技术趋势与解决方案”的精彩演讲。你可在「 在「 其优点是精度高、速度快，在量测和数据采集控制方面具有无可比拟的优势。未来，研华将推出I/O结合软逻辑，以改善开发难的问题。同时，为了适应更高速度的要求，研华将紧跟PCIEXPRESS的发展，推出更快的I/O控制方案。」一文为你做了相关的评析。

市场动态

打造eAutomation 以解决方案深耕垂直产业 在NVIDIA 与ATI 的两强对决中，英特尔决定 「 选择NVIDIA PCI Express 系列绘图方案。英特尔选择eVGA 的GeForce 6800 与Quadro FX1300 绘图卡成为其i925X 桌上型与工作站量测系统绘图卡。你可参考」一文。 英特尔用择NVIDIA 作为PCI-E 系统量测平台 为了让未来计算机平台的性能大幅提升及网络存取更加快速，全球嵌入式模块领导者－德国Kontron与研华及凌华科技共同推动下一代嵌入式平台-ETXexpress新标准。并且计划开始将ETXexpress标准的产品引入嵌入式计算机市场。你可在「」一文中得到进一步的介绍。 德国Kontron与研华、凌华共同推动ETXexpress标准制定下一代嵌入式 在「 National Instruments近日推出USB-6008及USB-6009数据撷取(DAQ)设备，并提供科学家、技术人员、工程师与学生以较低的价格，使用USB即插即用技术与高量测质量的数据撷取卡。」一文为你做了相关的评析。