NI點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流技術(shù)在FPGA模塊的實(shí)例 - 全文

1. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流介紹

NI點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流(P2P)技術(shù)使用PCI Express接口在多個(gè)設(shè)備之間直接，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，而不必通過(guò)主處理器或存儲(chǔ)器。這可使同一個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備共享信息而不必占用其它的系統(tǒng)資源。以下設(shè)備可支持NI P2P技術(shù)：PXI Express NI FlexRIO現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)模塊(NI PXIe-7961R、PXIe-7962R、PXIe-7965R、PXIe-7966R和PXIe-7975R)，PXI Express數(shù)字化儀和矢量信號(hào)分析儀，包括PXIe-5644R、PXIe-5645R、PXIe-5122、 PXIe-5160、 PXIe-5162、 PXIe-5622和PXIe-5663。

在圖1所描述的系統(tǒng)中，在NI PXIe-1075機(jī)箱中的NI PXIe-5622數(shù)字化儀使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流直接將數(shù)據(jù)傳送到NI PXIe-7965R NI FlexRIO FPGA模塊。然后FPGA模塊將數(shù)據(jù)傳送到另一個(gè)FPGA模塊用作額外的處理。由于機(jī)箱背板開(kāi)關(guān)提供與模塊所在插槽的直接連接，您不需要通過(guò)主控制器或進(jìn)入系統(tǒng)資源，例如CPU和主存儲(chǔ)器來(lái)傳送數(shù)據(jù)。

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圖 1. NI PXIe-5622 數(shù)字化儀將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絻蓚€(gè) PXI Express NI FlexRIO FPGA模塊.

2. 應(yīng)用實(shí)例

RF應(yīng)用中一種常見(jiàn)的需求是實(shí)時(shí)頻域觸發(fā)。盡管大部分RF設(shè)備在一個(gè)功率級(jí)上觸發(fā)，但這種實(shí)時(shí)頻域觸發(fā)與頻率并沒(méi)有關(guān)系。但是，借助NI LabVIEW FPGA模塊的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，您可以建立一個(gè)頻域觸發(fā)。圖2所描述的應(yīng)用中，NI PXIe-5663矢量信號(hào)分析儀使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)傳送到NI FlexRIO FPGA模塊進(jìn)行加窗，然后轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，并與頻譜模板比較。當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)模板時(shí)，F(xiàn)PGA模塊在PXI背板產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字觸發(fā)信號(hào)。NI PXIe-5663收到這個(gè)觸發(fā)信號(hào)后，便開(kāi)始捕獲數(shù)據(jù)記錄，包含預(yù)觸發(fā)采樣，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分析儀的標(biāo)準(zhǔn)采集內(nèi)存中。然后您可以通過(guò)NI-RFSA驅(qū)動(dòng)從主機(jī)訪問(wèn)該數(shù)據(jù)記錄用于進(jìn)行其它處理或存儲(chǔ)。

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圖2. 在此應(yīng)用中， NI FlexRIO FPGA模塊向 NI PXIe-5663 矢量信號(hào)分析儀發(fā)出一個(gè)頻域觸發(fā)信號(hào).

3. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的編程

NI-P2P驅(qū)動(dòng)極大簡(jiǎn)化了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的編程。在圖3描述的應(yīng)用中，1號(hào)FPGA直接將數(shù)據(jù)傳送給2號(hào)FPGA。在LabVIEW FPGA中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)交換提供先進(jìn)先出(FIFO)的接口。這些節(jié)點(diǎn)類似于DMA 和本地FPGA FIFO。在數(shù)據(jù)交換之前，主機(jī)必須通過(guò)NI-RIO和NI-P2P API將1號(hào)FPGA的寫(xiě)入數(shù)據(jù)流和2號(hào)FPGA的讀取連接起來(lái)（如圖3所示）。您可根據(jù)配置使用一個(gè)或兩個(gè)VI來(lái)連接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

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圖3. 兩個(gè) NI FlexRIO FPGA 模塊和相關(guān)軟件之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流

4. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)基準(zhǔn)測(cè)試

NI點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)方向超過(guò) 1.6 GB/s的數(shù)據(jù)流速率。最大吞吐量取決于數(shù)據(jù)流模塊、機(jī)箱以及（如果配置支持）控制器。一般來(lái)說(shuō)，這些組件速率的最低值是P2P的最大可能帶寬。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸具有非常低的延遲，但會(huì)取決于系統(tǒng)配置。如果僅通過(guò)FIFO和PCIe總線傳輸數(shù)據(jù)，典型的延遲大約為2-4微秒。但是如果由于其他業(yè)務(wù)造成總線擁塞，這一延遲偶爾會(huì)達(dá)到幾十微秒的量級(jí)。當(dāng)從數(shù)字化儀輸出數(shù)據(jù)流，延遲通常為5微秒，如果將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)饺我獠ㄐ伟l(fā)生器，由于板載緩沖，延遲大約為10-20微秒。

如果通過(guò)具有板載信號(hào)處理功能的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（使用NI PXIe-5622數(shù)字化儀），則額外的濾波和其他處理可能會(huì)使延遲達(dá)到數(shù)百微秒。最后，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，還必須考慮NI FlexRIO FPGA模塊上運(yùn)行的用戶代碼的延遲。

機(jī)箱
所有數(shù)據(jù)必須通過(guò)機(jī)箱從一個(gè)模塊流向另一個(gè)模塊，所以機(jī)箱對(duì)于確定帶寬非常重要。機(jī)箱背板的PCI Express開(kāi)關(guān)通過(guò)機(jī)箱路由數(shù)據(jù)，同時(shí)，也提供了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的高帶寬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。當(dāng)模塊所占用的多個(gè)插槽是連接在同一個(gè)PCI Express開(kāi)關(guān)上時(shí)（如圖4所示）帶寬取決于開(kāi)關(guān)。

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圖4. 機(jī)箱上的模塊布局路由所有數(shù)據(jù)通過(guò)同一個(gè) PCI Express 開(kāi)關(guān)。

表1顯示了給定機(jī)箱的PCI Express開(kāi)關(guān)的最大帶寬。該帶寬可通過(guò)任意兩個(gè)連接到相同開(kāi)關(guān)的插槽實(shí)現(xiàn)，而且在特定速率下可支持一個(gè)開(kāi)關(guān)多個(gè)連接。

機(jī)箱?插槽?最大點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)速率?
NI PXIe-1085?全部?1.6 GB/s?
NI PXIe-1075?全部?1.6 GB/s?
NI PXIe-1082Q?全部?1.6 GB/s?
NI PXIe-1065?7, 8?取決于控制器?
NI PXIe-1065?9-14?接近800 MB/s?
NI PXIe-1062Q?3-5?取決于控制器?
NI PXIe-1071?全部?取決于控制器?
NI PXIe-1073?全部?>200 MB/s?
NI PXIe-1078?2, 3, 4?取決于控制器?
NI PXIe-1078?5-9?>200 MB/s

表1. PXI Express機(jī)箱 P2P帶寬

控制器
如果P2P流系統(tǒng)的模塊并不是連接到機(jī)箱背板上的同一PCI Express開(kāi)關(guān)，則數(shù)據(jù)必須流經(jīng)主機(jī)控制器的板載開(kāi)關(guān)或芯片，但不經(jīng)過(guò)控制器的CPU或存儲(chǔ)器。該配置如圖5所示。

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圖5. 機(jī)箱上的模塊布局路由數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)控制器.

表2列出了給定控制器的PCI Express 開(kāi)關(guān)或芯片的最大帶寬。需要注意的是這些數(shù)字表示進(jìn)出控制器某一部分的總帶寬。如果每一部分同時(shí)存在多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流，則數(shù)據(jù)流共享帶寬。

控制器?開(kāi)關(guān)之間的最大速率?備注?
NI?PXIe-8135?>800 MB/s???
NI?PXIe-8133?>800 MB/s???
NI PXIe-8130?>600 MB/s?受芯片限制?
NI PXIe-8106?>800 MB/s?不支持第四連接 (NI PXIe-1075 和 NI PXIe-1082機(jī)箱 最右邊開(kāi)關(guān)的引入/引出)?
NI PXIe-8105?接近800 MB/s?受開(kāi)關(guān)限制?
NI PXIe-8101/02/08?不支持?開(kāi)關(guān)后面的P2P仍然工作?
NI PXIe-8370?接近800 MB/s?受開(kāi)關(guān)限制?
NI PXIe-8375?>800 MB/s??

表2. PXI Express 控制器的 P2P帶寬

模塊
如果機(jī)箱和控制器配置支持某一特定的帶寬，PXI Express模塊本身就能決定可實(shí)現(xiàn)的最大帶寬。下面是各種可支持P2P設(shè)備的基準(zhǔn)性能和配置詳情。

NI PXIe-7975R NI FlexRIO FPGA模塊: 這款PXI Express NI FlexRIO FPGA模塊能夠以高達(dá)1.5 GB/s的速率雙向傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流的數(shù)量及其帶寬取決于設(shè)備上FPGA的配置和編程。

NI PXIe-7966R, NI PXIe-7965R, PXIe-7962R, PXIe-7961R NI FlexRIO FPGA 模塊: 這些PXI Express NI FlexRIO FPGA模塊能夠以高達(dá)800 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)方向同時(shí)傳輸，F(xiàn)PGA模塊能達(dá)到單方向超過(guò)700 MB/s的速率，或超過(guò)1.4 GB/s的集合數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)可能包含單個(gè)數(shù)據(jù)流，最多可達(dá)16個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，每一個(gè)數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)設(shè)備的一個(gè)DMA通道。數(shù)據(jù)流的數(shù)量及其帶寬取決于設(shè)備上FPGA的配置和編程。

NI PXIe-5622 IF 數(shù)字化儀: NI PXIe-5622是一種150 MS/s, 16-bit的數(shù)字?jǐn)?shù)字化儀，能以高達(dá)300 MB/s的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流來(lái)說(shuō)，該數(shù)字化儀有一個(gè)單獨(dú)的寫(xiě)入端點(diǎn)，位于與板載內(nèi)存的并行數(shù)據(jù)通路上。您可以將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入這個(gè)端點(diǎn)以傳輸?shù)紽PGA目標(biāo)，并同時(shí)通過(guò)板載內(nèi)存將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)。NI PXIe-5622的一個(gè)重要特征是采用正交數(shù)字下變頻(DDC)的板載信號(hào)處理(OSP)，它能以75 MS/s或 250 MB/s的復(fù)合I/Q數(shù)據(jù)形式提供高達(dá)60 MHz的IF帶寬。在這種模式下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的采樣隔行掃描選取樣本，采用先I采樣后 Q采樣的方法。

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圖6. 采用 NI PXIe-5622 IF數(shù)字化儀的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流以原始的二進(jìn)制格式傳輸，不包括換算和校準(zhǔn)。NI-SCOPE可以查詢歸一化的系數(shù)并將其用來(lái)校準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)而不必?fù)Q算成伏特值。歸一化的數(shù)據(jù)符合以下規(guī)律，所以您后續(xù)可以翻譯這些二進(jìn)制信息或?qū)⑵鋼Q算成伏特。
. 最大的正二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)縱向值域的最大正向電壓。
. 最大的負(fù)二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)縱向值域的最大反向電壓。
. 縱向值域被均勻劃分以對(duì)應(yīng)可能的二進(jìn)制值。

或者，您可以在一個(gè)單獨(dú)的步驟查詢并應(yīng)用縮放系數(shù)來(lái)校準(zhǔn)和縮放數(shù)據(jù)。請(qǐng)參考高速數(shù)字化儀幫助獲得更多細(xì)節(jié)。

NI PXIe-5122 高分辨率數(shù)字化儀: The NI PXIe-5122是一種100 MS/s，雙通道，14-bit的數(shù)字化儀，能以每路每流200 MB/s的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流，該數(shù)字化儀具有兩個(gè)寫(xiě)入端點(diǎn)，位于與板載內(nèi)存并行的數(shù)據(jù)通路上。您可以將采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入這些端點(diǎn)，并將其通過(guò)板載內(nèi)存?zhèn)魉偷街鳈C(jī)。

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圖7. 采用NI PXIe-5122高分辨率數(shù)字化儀的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流

表3展示了有效的流配置實(shí)例

表3. 有效的流配置

請(qǐng)注意，配置模塊來(lái)生成數(shù)據(jù)的速率如果超過(guò)了PXI Express x4總線的帶寬，有可能引起數(shù)據(jù)溢出。例如，當(dāng)采樣全速運(yùn)行(共800 MB/s)時(shí)，表3的最后一個(gè)配置將達(dá)到每流400 MB/s的速率。如果您再將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)PC，則速率將超出總線帶寬。降低數(shù)字化儀的采樣率能避免數(shù)據(jù)溢出。

5. 校準(zhǔn)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流以原始的二進(jìn)制格式傳輸，不包括換算和校準(zhǔn)。NI-SCOPE可以查詢歸一化系數(shù)并用來(lái)校準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)而不必?fù)Q算成伏特值。歸一化的數(shù)據(jù)符合以下規(guī)律，以便您日后解釋這些二進(jìn)制信息或?qū)⑵鋼Q算成伏特值。
. 最大的正二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)縱向值域的最大正向電壓。
. 最大的負(fù)二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)縱向值域的最大反向電壓。
. 縱向值域被均勻劃分以對(duì)應(yīng)可能的二進(jìn)制值。

注意：即使用戶指定了NI-SCOPE的縱向值域是±10 V，最大和最小二進(jìn)制值仍為 NI-SCOPE編程的縱向值域 （如 ±11 V）。這樣操作的目的是為了捕獲過(guò)沖電壓，無(wú)論用戶是否將值域設(shè)置為小于過(guò)沖電壓。

6. 可支持設(shè)備

以下是支持P2P數(shù)據(jù)流的NI硬件列表：

機(jī)箱???
??NI PXIe-1062Q?
??NI PXIe-1065?
??NI PXIe-1071?
??NI PXIe-1073?
??NI PXIe-1075?
??NI PXIe-1078?
??NI PXIe-1082?
??NI PXIe-1085?
控制器???
??NI PXIe-8135?
??NI PXIe-8133?
??NI PXIe-8130?
??NI PXIe-8105?
??NI PXIe-8106?
遠(yuǎn)程控制器???
??NI PXIe-PCIe-8375?
??NI PXIe-PCIe-8371/8372?
??NI PXIe-PCIe-8361/8362?
函數(shù)發(fā)生器???
??NI PXIe-5450 (Rev. C and later)?
??NI PXIe-5451?
示波器/數(shù)字化儀???
??NI PXIe-5122**?
??NI PXIe-5622**?
RF信號(hào)分析儀???
??NI PXIe-5663*?
??NI PXIe-5663E*?
??NI PXIe-5665*?
??NI PXIe-5644R?
RF信號(hào)發(fā)生器???
??NI PXIe-5673*?
??NI PXIe-5673E*?
??NI PXIe-5644R?
NI FlexRIO FPGA模塊???
??NI PXIe-7961R?
??NI PXIe-7962R?
??NI PXIe-7965R?
??NI PXIe-7966R?
??NI PXIe-7975R

表 4. NI可支持P2P的硬件

* 以上提到的射頻信號(hào)分析儀由三個(gè)部分組成：射頻下變頻器、本地振蕩器和數(shù)字化儀。數(shù)字化儀用于實(shí)現(xiàn)P2P流。射頻信號(hào)分析儀使用的數(shù)字化儀是PXIe-5622。同樣，任意波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)執(zhí)行射頻信號(hào)發(fā)生器的P2P數(shù)據(jù)流。

**PXIe-5122和PXIe-5622的固件版本必須為當(dāng)前最新的版本才能實(shí)現(xiàn)P2P流技術(shù)，方法與NI-SCOPE 3.6一樣。按照NI-SCOPE 3.6自述文件中的步驟學(xué)習(xí)如何更新PXIe-5122和PXIe-5622設(shè)備上的固件。