Startseite > Embedded > Hardware > PCI Express auf Schienen

Industrielle Bildverarbeitung

PCI Express auf Schienen

26. April 2016, 13:51 Uhr | Von Manuel Murer

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Latenzzeiten sprechen gegen 10-Gbit/s-Ethernet

Neben den hohen Datenströmen müssen vor allem auch die GPS-Zeitstempel vom übergeordneten Prüfkontrollrechner mit geringer Latenzzeit zu den Kamerasubsystemen KAS übermittelt werden. Beide Anforderungen lassen sich mit der PCI-Express-Busverlängerung SX2-SLIDE sicherstellen. Die Baugruppe verfügt über zwei externe PCIe-×4-Frontsteckverbinder und kann in einem CompactPCI Serial „Fat Pipe Slot“ mit acht Lanes eingesetzt werden. Der Onboard-Controller teilt den Upstream Link in zwei Downstream-Kanäle mit jeweils 20 Gbit/s auf und bietet so den maximalen Durchsatz.

Die Busverlängerung kann über Kupferkabel gemäß der PCI-Express-External-Cabling-Spezifikation über eine Strecke bis 7 m erfolgen. Viel besser geeignet ist aber die ebenfalls mögliche aktive, optische Variante (AOC), die eine Entfernung von bis zu 300 m überbrücken kann und neben der galvanischen Trennung auch eine besonders hohe Störfestigkeit bietet. Diese Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störfeldern ist in jeder industriellen Anwendung, vor allem bei Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, für einen sicheren Betrieb unabdingbar.

Software zur CPU-CPU-Kopplung

Dreh- und Angelpunkt jeder Industriecomputer-Applikation ist die verwendete Betriebs- und System-Software. Für die hier verwendete PCI-Express-Buserweiterung SX2-SLIDE kooperiert EKF mit dem norwegischen Spezialisten Dolphin Interconnect Solutions, der seit den frühen 90er Jahren System-Software für den Aufbau von Rechnerclustern entwickelt. Einsatzgebiete sind neben industriellen Anwendungen skalierbare, transaktionsorientierte Anwendungen, wie sie zum Beispiel auch im Finanzwesen oder anderen Datacentern zu finden sind.

Für die SX2-SLIDE portierte Dolphin seine PCIe Networking Software, die für Linux, Windows, RTX und VxWorks verfügbar ist. Damit stehen stabile CPU-CPU-Verbindungen mit extremer Bandbreite und einer Latenzzeit von unter 0,6 µs zur Verfügung. Das „Super Sockets“ genannte Software-Konstrukt bildet eine TCP/IP-Struktur (Berkeley Socket) über die SX2-SLIDE ab, sodass bestehende Software, die bisher Ethernet als Verbindungsmedium genutzt hat, weiter genutzt werden kann. Neu zu erstellende Software profitiert von der bekannten Vorgehensweise bei der Implementierung von IP-basiertem Datentransfer.

Jobangebote+ passend zum Thema

MACNICA ATD EUROPE - Ihre berufliche Zukunft

MACNICA ATD Europe GmbH, Ingolstadt

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Am oberen Ende des technisch Machbaren

Das Beispiel beschreibt ein mobiles, automatisches, optisches Inspektionssystem zur Gleisüberwachung. Neben den Umgebungsbedingungen, die von der eingesetzten Elektronik hohe Widerstandskraft gegen Schmutz, Feuchte, Temperaturschwankungen und mechanische Beanspruchung fordert, liegen die zu realisierenden Datenraten am oberen Ende des derzeit technisch Machbaren.

Nicht zuletzt durch die klare Aufteilung der Subsysteme und der Verwendung der Bustechnologie PCI Express werden die einzelnen Datenströme beherrschbar. Die verwendete Software spielt hierbei eine besondere Rolle, denn erst die geringe Latenzzeit der Dolphin-Systemtreiber erlaubt es, in dieser Anwendung das volle Potenzial der CPU-CPU-Kopplung auszunutzen. Durch die Socket-Technologie bleibt die Applikation Software-technisch sehr strukturiert und damit gut wartbar.

Der Autor:

Dipl.-Inform. (FH) Manuel Murer, M.Sc.
schloss 2004 sein Studium der Technischen Informatik ab und arbeitet seitdem bei der EKF Elektronik GmbH in Hamm im technischen Vertrieb und im Projektmanagement. Berufsbegleitend folgte ein weiteres Studium als Wirtschaftsinformatiker mit Schwerpunkt Projektmanagement mit Abschluss als M.Sc. im vorigen Jahr.

Glossar
PCI Express ist eine Weiterentwicklung des PCI-Bussystems zur Verbindung von internen Komponenten eines Rechners. Im Gegensatz zum parallelen Vorgänger, dem PCI-Bus, ist PCI Express eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die Verbindungen werden „Lanes“ genannt.
×1, ×4, ×8: Die Bandbreite einer PCI-Express-Verbindung kann durch die Bündelung mehrerer Lanes erhöht werden. Eine Lane nach der PCI-Express-Spezifikation 2.0 – dem heute am weitesten verbreiteten System – überträgt eine Rohdatenrate von 500 MB/s im Vollduplex-Modus. Übliche Lane-Bündelungen sind ×4 und ×8. ×16 gibt es in PC-Systemen für Grafikkarten und in industriellen Messsystemen, aber nicht in CompactPCI Serial.
CompactPCI Serial ist eine industrielle Ausprägung des PCI-Express-Systems. Dabei kommen Gehäuse im 19-Zoll-Standard und robuste Steckverbinder zum Einsatz, Die elektrische Topologie entspricht einer Stern-Architektur, in deren Mittelpunkt der Systemslot steht. Er kann bis zu acht Peripheriekarten ansteuern. Zwei davon können als „Fat Pipe“-Verbindungen ausgeführt sein.
Als Fat Pipe Slot bezeichnet man einen CompactPCI Serial Slot mit acht Lanes. Die restlichen bis zu sechs Steckplätze haben vier Lanes.
external PCI Express: Die „external Cabling Specification“ der PCI-SIG beschreibt eine Hot-Plug-fähige Verbindung, die elektrisch mit der systeminternen PCI-Express-Verbindung identisch ist. Bei der hier eingesetzten ×4-Verbindung können mit Kupferkabel bis zu 7 m, mit optischem Kabel bis zu 300 m überbrückt werden. Am Ende des Kabels kann ein PCI-Express-Gerät ferngesteuert werden, das nicht notwendigerweise ein CompactPCI-Serial-Gerät sein muss.