使用Intel Xeon CPU和PCI Express Gen 3技术增强测试测量系统

PXI平台的最新创新： 工业首款全混合PXI机箱，基于PCI Express Gen 3技术和匹配系统带宽，其工业标准PXI Express嵌入式控制器搭载了Intel Xeon八核处理器。 全新的机箱和控制器相结合，提供了两倍于先前最高性能PXI平台的处理能力和系统带宽。 由于模块化可满足不断变化的需求，因此这一控制器和机箱组合使得PXI成为任何测试和测量系统的完美方案，使用户在决策时无需作出任何妥协。

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图1. NI PXIe-1085 24 GB/s机箱与基于Intel Xeon处理器的NI PXIe-8880
嵌入式控制器以及各种模块化仪器

1. 基于Intel Xeon处理器的NI PXIe-8880嵌入式控制器

NI与英特尔携手合作，将Intel Xeon处理器的服务器级处理能力引入测试测量市场。 NI PXIe-8880嵌入式控制器拥有八个内核、高达24GB的DDR4内存以及24条PCI Express Gen 3与背板的连接通道。 这为工程师和科学家提供了比前一代控制器高出一倍的处理能力和带宽。

控制器技术一览

• Intel Xeon E5-2618L v3处理器

• 2.3 GHz（基带）和3.4 GHz（睿频加速）

• 8个物理和16个逻辑CPU内核

• 8 GB DDR4 1866 MHz RAM（标准）；24 GB最大

• 高达24 GB/s系统带宽（每方向）

• 240 GB 1.8英寸SSD硬盘

• 2个USB 3.0，4个USB 2.0，1个DisplayPort v1.2

• 2个千兆以太网、GPIB、SMB触发器

• Windows 7 64位或LabVIEW Real-Time操作系统

查看NI PXIe-8880产品页面的资源部分，了解完整的用户手册和规范

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图2. （左）NI PXIe-8880嵌入式控制器拆解图，其中可以看到Intel Xeon处理器和2-8 GB RAM升级条；
（右）连接外设的NI PXIe-8880嵌入式控制器的前视图。

性能基准测试

为了了解全新NI PXIe-8880控制器的价值，我们可以看一下CPU的原始性能。 因为测试和测量系统更多是计算密集型系统，而不是图形密集型，因此我们采用以处理器为中心的CPU基准测试。 图表1显示了基于八核Intel Xeon E5-2618L v3处理器的全新NI PXIe-8880在CPU Mark基准性能上比上一代PXIe-8135四核Intel Core i7-3610QE处理器高出76%。  

图表1. NI PXIe-8880的CPU Mark性能比上一代PXIe-8135嵌入式控制器
高出76%。

接下来我们来看一下NI PXIe-8880与LabVIEW图形化系统设计软件等测试测量软件结合使用时的表现如何。 测试和测量中通常采用的处理器密集型测量是快速傅立叶变换(FFT)。 从下方的图表2可以看出，全新的NI PXIe-8880在基准时间窗口内计算的FFT次数比上一代PXIe-8135四核Intel Core i7-3610QE处理器高出91%。 需要注意的是LabVIEW本身是一个多线程应用软件，因而可充分利用PXIe-8880嵌入式控制器中Intel Xeon处理器的八个内核。

图表2. NI PXIe-8880计算的LabVIEW FFT次数比上一代PXIe-8135嵌入式控制器高出91%。

“采用最新的Intel Xeon处理器是我们与NI合作的新里程碑。 物联网时代需要最强大的处理能力来缩短产品上市时间和降低测试成本，而NI基于PXI的方法正是实现这一目标的关键。”

- Shahram Mehraban
工业物联网市场开发总监
英特尔公司

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2. NI PXIe-1085 24 GB/s机箱

自1997年PXI标准诞生以来，NI一直不断提供广泛的高性能机箱组合来满足各种用户应用的I/O点和性能需求，在推动用户创新的过程中发挥了关键的基础作用。 NI最新版本的机箱是首款基于PCI Express Gen 3技术的机箱，为工程师提供两倍于上一代机箱的插槽和系统带宽。

机箱技术一览

• 基于PCI Express Gen 3技术的PXI Express

• 16个混合插槽；1个PXI Express系统定时插槽；1个系统插槽

• 高达24 GB/s系统带宽（每方向）

• 高达8 GB/s系统带宽（每方向）

• 可移动电源梭；925 W总系统功率

• 每插槽38.25 W功率和冷却功能

• 可选机架组件

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图3. 空NI PXIe-1085 24 GB/s机箱的前视图。

PXI Express规范

随着过去几十年来客户应用的复杂性和对处理能力和带宽的需求与日俱增，PXI规范也在不断演变以满足这些需求。 最初的PXI基于PCI技术，提供了132 MB/秒的数据带宽。 PCI Express技术出现后，该规范也随之更新以充分利用这一技术。PCI Express技术通过称为“巷道”(lane)的发射和接收连接对来串行发送数据，使得PCI Express Gen 1技术每个方向的数据传输能力达到250 MB/s。 多个巷道可组合在一起可形成x4、x8和x16链路以增加带宽。

接着演变到PCI Express Gen 2技术，每条巷道的数据传输速率达500 MB/s。 最新发布的PXIe-108524 GB/s机箱是业界第一款基于PCI Express Gen 3技术的机箱，巷道带宽增加了一倍，每条巷道的速率高达1 GB/s，24条数据巷道（X24）就可实现控制器和PXI Express背板之间高达24 GB/s的单向数据传输速率，如图表3所示。

需要注意的是，上面所说的系统带宽仅可解决系统控制器和机箱之间数据传输量需求。 如果在外设模块之间利用对等网络(P2P)通信，即可显著提高机箱可传输的数据量。 例如，三个外设模块以8GB/s的速率传输数据到系统控制器，七组模块利用P2P实现8GB/s的速率，那么从理论上讲，单向和双向的总系统带宽应该分别为80 GB/s和160 GB/s。 实际的系统带宽取决于许多因素，如内存带宽、PCIe数据包大小和开销以及单向和双向数据流等。

图表3. 基于24条可用数据巷道(x24)的每一代PXI和PXI Express的系统带宽

全混合插槽

随着机箱通信总线集成最新的PC技术，PXI外设模块也从PXI演变到PXIe，以利用PCI Express通信总线能力的优势。 为了确保PXI和PXI Express模块之间的模块兼容性，PXI规范增加了混合插槽。 该插槽可用于将混合兼容PXI或PXI Express外设模块插入到PXI机箱中，并在混合兼容PXI模块中利用以前的投资。 与之前的12 Gb/s NI PXIe-1085机箱相比，24 GB/s 18槽（1个系统控制器+17个外设插槽）机箱包含了16个混合插槽。

PXI背板技术

PXI平台相比传统仪器的一个重要优势在于PXI机箱背板中集成了触发、电源、参考时钟和数据总线，其中数据总线通常是外部线缆。 基于PCI Express Gen 3技术的NI PXIe-1085 24 GB/s机箱的一个重要创新是采用了两个第三代开关，如图4所示。这些开关负责处理模块之间以及模块和控制器之间的信息路由。

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图4. NI PXIe-1085 24 GB/s机箱的后视图，其中拆去了电源梭以便观察PCI Express第三代开关技术

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3. NI PXIe-8830mc协处理模块

PXI平台的一个最新进展是PXI多值计算(PXI MultiComputing, PXImc)规范，它可允许两个或更多的智能系统通过PCI Express交换数据。 之前我们可以通过NI PXIe-8383外设插槽物理连接到远程处理器，如工作站计算机。 而全新的PXIe-8830mc具有嵌入式协处理模块，可直接安装到任何PXI Express外设插槽中以快速提升系统的处理能力。 例如，在18槽机箱中，NI PXIe-88808与NI PXIe-8830mc协处理模块相结合可实现高达40个物理内核。

协处理模块一览

• Intel Core i7-4700EQ处理器

• 4个物理和8个逻辑内核

• 2个USB 2.0和1个千兆以太网LAN端口

• 4 GB (1 x 4 GB DIMM)单通道1600 MHz DDR3 RAM

• 高达4GB/s的理论（2.7 GB/s实际）数据传输带宽（单向）

• 协处理模块和主CPU之间的延迟低达5 μs（硬件+软件）

查看PXIe-8830mc产品页面的Resources部分，了解完整的用户手册和规范

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图5. PXI系统包含各种高带宽信号处理密集型射频仪器，其中NI PXIe-8830mc协处理模块位于插槽6和7，可添加四个处理内核。

“在过去的二十年里，我们见证了自动化测试领域由传统仪器逐渐向PXI平台转移的过程。 集成Intel Xeon处理器技术后，我们预期PXI将广泛应用于高性能应用中。”

- Jessy Cavazos
测量和仪器行业经理
Frost & Sullivan

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4. 主要应用领域

除了以下主要应用领域之外，全新的机箱和控制器也适用于任何计算密集型或高带宽测试和测量应用以及任何不牺牲性能也可满足未来需求的应用。

无线测试

自1978年AMPS协议实施以来，无线通信协议对数据传输所需的带宽需求日益增长。 这意味着验证这些协议的测试系统必须能够采集、分析和显示来自仪器的大量数据。 由于测试系统的平均寿命一般为五到七年，无线测试工程师开始转向模块化方法，以降低实施新协议后更新软件和硬件的工具成本。

半导体测试

虽然NI半导体测试系统(STS)等半导体测试系统不会消耗大量数据，但是它们需要并行消耗许多数据来提高测试吞吐量或每小时测试的零件数量。 多点测试吞吐量的一个主要参数是测试系统的并行测试效率(PTE)，这对于测试系统来说通常是固定的。 但是对于NI STS等模块化方法，添加八核Intel Xeon处理器和NI TestStand等强大的多核测试执行软件的能力提供了一种提高PTE的经济方法，进而提高半导体测试工程师的生产力。

5G原型开发

开发第五代(5G)蜂窝系统需要密集的信号处理、紧密的同步、控制功能以及I/O点来实现每秒数千兆位的数据速率。 结合LabVIEW Communications系统设计套件等功能强大的软件， NI PXIe-8880控制器和NI PXIe-1085 24 GB/s机箱的多核处理能力和高带宽为任何原型开发平台提供了理想的起点。

基于NI PXI构建可满足未来需求的测试和测量系统

过去二十年的技术革新远超出我们的预期。 1G演变到2G蜂窝通信花了大约18年的时间，但是LTE取代3G仅用了短短的6年。 我们已经看到模数转换器的速率从数百MS/s提高到数十GS/s。如果继续以目前的普及速度发展下去，物联网的影响将大大超出所有人的预测，在物联网时代，万事万物都是可以感知、计算和相互通信的。

但创新有几层含义。 在设计环境中可行到用户可以真正使用需要多个测试和测量步骤，而且人们对带宽和处理能力的需求每年都在增加。 虽然我们不希望牺牲产品的质量，但是我们也不希望每次出现新产品时都需要花费宝贵的时间和金钱来购买或开发额外的硬件和软件。 预测产品创新的未来是不可能的，但选择具有高灵活性和可扩展的架构是有可能的。 由于模块化产品可满足不断变化的需求，NI PXIe-8880嵌入式控制器、NI PXIe-108524 GB/s机箱结合丰富多样的模块化仪器，使得NI PXI成为任何测试和测量应用的完美解决办法。