隨著個人電腦技術的演變，使用標準桌面系統及可攜式電腦進行複雜的測試、控制和設計應用的能力亦獲得大幅的改善。擴充的經濟性也使人能夠有效運用標準電腦上的GHz級處理器及數GB的記憶體，比廠商在量測儀器中安裝處理器和記憶體更加節省成本。同時，商業市場上為現代電子設計的晶片技術也被測試及控制產業重新定義其用途。舉例來說，類比及數位轉換器最初是為了電子設備而設計，諸如手機和DVD播放機，但是現在也為PC資料擷取設備提供更快的速度和準確性。和儀器廠商自行設計元件比較起來，這些高生產力的商業元件價格極為低廉，設計週期也快得多。透過運用這些在PC和晶片技術方面的進步，低價位的PC嵌入式設備不但可以執行量測及控制，而且提供傳統儀器不曾提供的準確性和處理速度。

隨著擷取速度提升，這些虛擬儀器的一個共同瓶頸在於能否迅速而容易地將資料從測量設備傳送到PC記憶體。傳統匯流排技術（例如GPIB以及序列埠RS/232）往往需要儀器廠商在儀器上安裝內建記憶體，以便暫時存放因匯流排頻寬限制而無法及時轉移到PC上的資料。在過去十年裡，個人電腦業以PCI匯流排作為標準，針對此匯流排設計的嵌入式設備的資料頻寬比GPIB提高了十倍，而且在許多情況下，不再需要大量的內建記憶體。同時，使用纜線的匯流排（例如USB）也因為其可攜性及使用簡易的特性，而在測試及量測應用中變得極為普遍。當虛擬儀器使用最新的類比及數位轉換器技術而獲得更快速的資料傳輸率之時，使用PCI 和USB的系統再次遭遇匯流排限制資料傳送至PC記憶體的速度限制。為了滿足日漸提高的頻寬需求，新的技術（包括PCI Express及高速的USB 2.0）已經可以將大量的資料從設備傳送到PC，同時確保向下相容性，並提高使用簡易度。

PCI Express上場

PCI Express是由PC及週邊設備廠商（包括英特爾在內）聯合開發，於2004年開始應用在標準的桌上型PC。目前大部份由主要供應商推出的桌上型機器至少都附有一個PCI Express插槽。PCI Express保持與傳統PCI的軟體相容性，但是在實體匯流排方面則使用高速（2.5Gbps）序列匯流排加以取代。資料以封包的方式，透過成對的傳送及接收訊號（稱為lanes）進行傳送，每個lane的每個方向皆提供250MB/s的頻寬。多個lane可以加以編組，構成x1、x2、x4、x8、x12、x16及x32的lane寬度，以提高至插槽的頻寬。而且PCI Express不像PCI是將頻寬分配給匯流排上的所有設備使用，而是為系統中的每一個插槽提供專用的頻寬。

大幅改善頻寬及延遲的問題

資料擷取及波形產生之類的應用程式需要穩定的頻寬及最低的延遲時間。若要確保資料能夠以足夠的速度傳送到記憶體，而不至於漏失或是被覆寫，就需要充足的頻寬。延遲是指訊號（例如組態或開始命令）送出及接收所需的時間。對於乙太網路之類的匯流排而言，長延遲是常見的現象，這也是此類匯流排一直沒有被廣泛用來做為PC測試之用的主要原因。原先的PCI規格並沒有處理這些問題，因為PCI規格推出之時，PC上的高速資料串流應用程式並不多見。因此，採用此匯流排的資料擷取設備需要內建記憶體做為資料緩衝區，以因應資料傳輸時不斷變動的頻寬。今日，諸如未壓縮之串流影音等資料傳輸需要PC的I/O子系統提供穩定的頻寬及最低的延遲時間，以防止資料不連貫。為了滿足這些需要，PCI Express結合了一個等時性資料傳輸模式，允許設備以最低的延遲時間保留預先定義的頻寬。資料擷取應用程式亦獲益於此項功能，因為PCI Express設備需要用來作為資料緩衝的記憶體低於傳統PCI設備。

《圖一　每個PCI Express插槽擁有專用的頻寬》

PCI Express大幅提高資料頻寬。它的規格（2.5Gbps）提供的初期訊號頻率頻寬是32位元、33MHz PCI可用頻寬的六十倍（使用x16插槽），而這個訊號頻率可望隨著晶片技術的提升而達到各方向10Gbps的程度，這也是銅線中訊號的實質限制。而且由於PCI Express的lane拓樸，資料擷取廠商可以根據設備的需求，使用具備適合該設備之lane數量的PCI Express接頭。具備較少量lane的設備可以插在主機板上較大的主連接器，提高硬體相容性和彈性。

《圖二　各介面頻寬與傳輸時間比較》

軟體相容性最重要

PCI Express規格亦確保軟體的相容性。PCI Express設備的組態空間及可程式能力與傳統的PCI技術相同，沒有改變。事實上，所有的作業系統都可以使用PCI Express技術開機，不需做任何修改。在開機時，作業系統可以發現所有的PCI Express設備，然後分配系統資源（例如記憶體、I/O空間以及插斷），以建立最佳的系統環境。而且由於PCI Express的實體層對應用程式軟體而言是透明的，因此原本為PCI設備撰寫的程式可以繼續在具備同樣功能的PCI Express設備上執行。在保護廠商和使用者的軟體投資時，PCI Express與傳統PCI的這種軟體向下相容性非常重要。

USB 2.0提升外接設備的頻寬及使用簡易度

就和PCI Express為嵌入式設備帶來的效能提升一樣，USB 2.0的高速也在頻寬及訊號延遲方面，為外接式資料擷取設備帶來提升。USB已經成為將週邊設備連接至PC的實質標準，資料擷取設備也不例外。此種匯流排的隨插即用和熱插拔功能使得它使用起來極為容易，連結的設備可以被主機自動偵測及設定組態。驅動程式可以動態進行載入及卸載，在安裝過程中不需要關閉設備或PC的電源。USB 2.0的另一項優勢是匯流排在傳送資料訊號的同一條纜線上提供電力，因為不需要專用的AC電線，因此往往可以簡化連接性及可攜性。

和USB 1.1比較起來，USB 2.0規格在頻寬和延遲時間上做了極大的改進。USB 1.1提供的1.5MB/s速度很快就成為大量資料傳輸（例如高速資料擷取）的限制因素。USB 2.0將這個速度提高四十倍，使頻寬提高到60MB/s。就和PCI Express一樣，USB 2.0提供等時性傳輸，但是也加入另外三個資料傳輸模式，可以由廠商加以啟動。舉例來說，bulk transfer mode提供資料接收確認功能，在需要確保資料完整性的應用上（例如資料擷取），可以確保傳輸無誤。

USB 2.0標準的推出一共創造出三種等級的USB設備：低速（1.5Mb/s）、全速（12Mb/s）以及高速（480Mb/s）設備。USB 2.0和USB 1.1完全相容，而且低速、全速及高速設備都可以並存於一個USB連接埠上。除了頻寬的提升之外，USB 2.0亦推出新的方法，改善資料傳輸的效率。資料框（Data frame）指分配給封包傳輸的時間區段，從1ms切割成八個125μs資料框，每個資料框傳輸的資料位元組數量也大幅增加。由於大量的資料封包會佔用大量的頻寬，因此採用新的交握指令（handshaking command），以確保主機已經預備妥當，並且可以接收全部的序列資料封包。USB 2.0也引進分割處理（split transactions），可以防止全速和低速的設備拖慢匯流排的速度。利用分割處理，主機可以和匯流排上的高速設備通訊，而不需要等候低速設備傳回通訊。

展望

當PCI Express和USB 2.0之類的PC匯流排技術繼續提升資料頻寬、效能及使用簡易性時，使用PC設備進行量測及控制的優點也更加明顯。事實上，由於建立在電腦技術的基礎上，虛擬儀器永遠會隨著新的通訊、處理及記憶體技術的推出而不斷進步。目前PCI Express和USB 2.0仍處於漸漸普及的階段，同時使用傳統PCI和USB 1.1及這些新技術的混合系統仍有數年的壽命。透過這些新技術與其前代技術之間的軟體相容性，以及USB 1.1和USB 2.0之間的硬體相容性，可以使這個轉換過程更加順利。但是這兩項新技術的優點很明顯，而且隨著PC的測試及控制系統繼續推動對頻寬的要求，PCI Express和USB 2.0可以更快速將資料傳送到PC，從而完全發揮PC不斷提升的處理器速度和記憶體數量的優勢。USB 2.0已經促使大量容易使用的新款資料擷取設備出現，而隨著PCI Express的發表，採用新款匯流排標準的新一代嵌入式資料擷取設備也必然隨之推出。

（作者為NI美商國家儀器DAQ產品經理）

延 伸 閱 讀

我們將詳細介紹如何利用Agilent 81250A ParBERT 進行誤碼率量測，以及如何設定此設備來編輯碼型，並解說抖動注入、容許度、以及傳輸功能 ... PCI-Express 晶片組包含TX（傳送器）和RX（接收器），在目前這一代標準的定義中，兩者各有不同的實體參數。相關介紹請見「 PCI-Express誤碼率測試」一文。 作為與Intel有密切合作的聯盟夥伴，淩華科技受邀參加此次英代爾通訊聯盟的展示宣傳，在展出其ETXexpress嵌入式新品和系統產品的同時，還有資深技術人員發表題為“嵌入式技術趨勢與解決方案”的精彩演講。你可在「 淩華ETXexpress家族第一成員ETXp-IA533 大大提升計算品質」一文中得到進一步的介紹。 其優點是精度高、速度快，在量測和數據採集控制方面具有無可比擬的優勢。未來，研華將推出I/O結合軟邏輯，以改善開發難的問題。同時，為了適應更高速度的要求，研華將緊跟PCIEXPRESS的發展，推出更快的I/O控制方案。 在「 打造eAutomation 以解決方案深耕垂直產業」一文為你做了相關的評析。

市場動態

在NVIDIA 與ATI 的兩強對決中，英特爾決定 選擇NVIDIA PCI Express 系列繪圖方案。英特爾選擇eVGA 的GeForce 6800 與Quadro FX1300 繪圖卡成為其i925X 桌上型與工作站量測系統繪圖卡。你可參考 「英特爾用擇NVIDIA 作為PCI-E 系統量測平臺」一文。 為了讓未來電腦平臺的性能大幅提升及網路存取更加快速，全球嵌入式模組領導者－德國Kontron與研華及淩華科技共同推動下一代嵌入式平臺-ETXexpress新標準。並且計畫開始將ETXexpress標準的產品引入嵌入式電腦市場。你可在「 德國Kontron與研華、淩華共同推動ETXexpress標準制定下一代嵌入式」一文中得到進一步的介紹。 National Instruments近日推出USB-6008及USB-6009資料擷取(DAQ)設備，並提供科學家、技術人員、工程師與學生以較低的價格，使用USB隨插即用技術與高量測品質的資料擷取卡。 在「新款NI USB設備提供高量測品質的資料擷取功能」一文為你做了相關的評析。