Interfaces externes PCI Express (4/4)

Depuis l’invention du GPIB dans les années 1960, les systèmes de test automatique se sont appuyés sur les PC pour fournir le contrôle central du matériel d’instrumentation et pour automatiser les procédures de test. Sous des facteurs de forme divers et variés (ordinateurs de bureau, stations de travail et systèmes industriels et embarqués) les PC ont largement été utilisés à cette fin. Ils offrent toute une variété de bus d’interface (USB, Ethernet, série, GPIB, PCI et PCI Express) pour interfacer le matériel d’instrumentation dans les systèmes de test automatique. Étant donné le rôle critique des PC dans ce type de système, l’industrie du test et de la mesure doit suivre la progression de l’industrie informatique et exploiter toute nouvelle technologie pour accroître les capacités et les performances tout en diminuant les coûts du test.

Ces dix dernières années, les PC ont évolué rapidement de bien des façons différentes. Comme le prévoyait la loi de Moore, les capacités de traitement du processeur ont augmenté de plus de 75% sur cette période. Outre l’amélioration phénoménale des capacités de traitement, une autre tendance significative s’est traduite par l’émergence des interfaces de communication série et la disparition des interfaces de communication parallèles. Le PCI Express a remplacé les bus PCI, AT et ISA en tant que bus système interne par défaut permettant d’interfacer des matériels périphériques au processeur. Le groupe PCI-SIG (PCI Special Interest Group), consortium qui gère les spécifications PCI, a annoncé en novembre 2011 qu’environ 24 milliards de lignes PCI Express avaient été mises sur le marché depuis l’introduction de ce standard en 2004, ce qui en dit long sur son adoption. De même, pour les interfaces externes, les bus série comme l’USB et Ethernet ont remplacé le port parallèle, le SCSI, ainsi que d’autres bus de communication parallèles. Le rapport d’une étude de marché publié par In-Stat en 2010 prévoit qu’en 2012 le nombre de matériels USB commercialisés dépasse les 4 milliards. Avec la prolifération des standards de communication sans fil comme le Wi-Fi et le Bluetooth, la consolidation des interfaces physiques externes sur les PC est une autre tendance qui émerge depuis peu.

Le bus PCI Express, utilisé dans différentes implémentations, va probablement devenir l’interface de prédilection pour les systèmes de test automatique. Offrant la combinaison idéale d’une bande passante élevée et d’une faible latence, le PCI Express est une technologie extrêmement répandue puisqu’il s’agit d’un élément fondamental de tout PC. Il a également commencé à estomper les limites entre un bus système, utilisé pour interfacer des matériels locaux au sein d’un système, et un bus d’interface, utilisé pour interfacer des matériels périphériques externes au système, et il va probablement continuer à effacer cette distinction.

PCI Express : bus système pour les plates-formes de test automatique

Comme le PCI Express est un bus série, il présente toute une variété d’avantages inhérents par rapport aux bus parallèles comme le PCI et le VME. Les défis techniques, comme le décalage temporel, la consommation électrique, les interférences électromagnétiques, et la diaphonie présente entre les lignes d’un bus parallèle, deviennent de plus en plus difficiles à contourner lorsque l’on tente d’augmenter la bande passante. Techniquement supérieur, le PCI Express ne cesse, depuis son introduction en 2004, de voir ses capacités de transfert de données améliorées. En 2007, la publication des spécifications PCI Express 2.0 a doublé la vitesse de transfert par rapport au PCI Express 1.0, et en 2010, celle des spécifications PCI Express 3.0 a à son tour doublé la vitesse de transfert par rapport au PCI Express 2.0, permettant de transférer des données à 16 Go/s par direction. Bien que le standard PCI Express ait été constamment modifié, ces améliorations n’ont pas été apportées aux dépens de la compatibilité. PCI Express utilise les même couches logicielles que le PCI garantit une parfaite compatibilité. Les plates-formes de test automatique et de mesure qui utilisent le PCI Express en tant que bus système interne, comme le PXI, peuvent profiter de toutes ces avancées pour continuer à offrir toujours plus de capacités à moindre coût. Fortes de leur supériorité technique, de telles plates-formes vont probablement devenir le cœur de tous les systèmes de test automatique.

PCI Express : bus d’interface externe pour les systèmes de test automatique

La latence élevée et la faible bande passante des interfaces externes couramment utilisées pour le test automatique, comme le GPIB et Ethernet, constituent un obstacle à la réduction des temps de test. Ces interfaces restreignent fondamentalement l’efficacité globale d’un système de test en limitant la vitesse de transfert des données et en augmentant le temps nécessaire à chaque transaction. Puisque les microprocesseurs ne permettent pas d’accéder de manière native à ces interfaces externes, généralement une certaine forme de conversion intervient à l’intérieur du PC pour transformer ces données externes en données compatibles avec le bus PCI Express. Comparé à ces autres interfaces externes, le PCI Express offre de meilleures performances et est directement accessible depuis le microprocesseur dans un PC. Cela élimine le goulet d’étranglement inévitable avec d’autres bus d’interfaces externes et réduit considérablement les temps de test.
 

L’idée d’utiliser le PCI Express en tant que bus d’interface externe n’est pas nouvelle. Le groupe PCI-SIG supporte une implémentation externe du PCI Express, connue sous le nom de « PCI Express câblé ». Publiée en 2007, cette implémentation offre un moyen transparent d’étendre le bus système pour interfacer les matériels externes. Le « PCI Express câblé » est déjà utilisé dans les plates-formes d’instrumentation modulaire comme le PXI afin de fournir des options de contrôle externe souples et économiques. Normalement, les spécifications PCI Express ne supportent que l’utilisation de câbles en cuivre, ce qui limite la distance entre le PC et le matériel à 7 m. Cependant, utilisée avec des émetteurs-récepteurs électro-optiques, cette technologie peut être étendue au câble en fibre optique pour offrir plus de 200 m de séparation physique et une isolation électrique.

L’utilisation de la technologie « PCI Express câblé » est plutôt couronnée de succès dans les environnements de test automatique. Toutefois, son adoption s’est limitée à quelques industries de niches comparée à la large adoption de la technologie PCI Express générique. Thunderbolt, implémentation plus récente du PCI Express en tant qu’interface externe, est une technologie qu’Intel a promue sous le nom de code Light Peak et qui a toutes les chances de devenir extrêmement populaire. Thunderbolt allie le PCI Express et le protocole vidéo DisplayPort dans un bus d’interface série qui peut être relié par câbles en cuivre ou en fibre optique. Dans la mesure où les PC vont offrir des ports Thunderbolt de manière native, il promet de devenir une solution hautes performances, économique et omniprésente. Les interfaces PC externes au format PCI Express, tout comme d’autres interfaces faible coût telles que l’USB, vont probablement devenir les interfaces par défaut des systèmes de test automatique. Des applications telles que le test en production en volume, ou la vérification et la validation automatisées complexes vont naturellement s’orienter vers les interfaces PCI Express, car elles nécessitent des performances élevées en matière de transfert de données et de latence afin de réduire le coût global du test. Les applications pour lesquelles ces critères sont moins indispensables vont probablement continuer à utiliser d’autres interfaces.

Le choix du PCI Express s’est avéré efficace pour interfacer les PC directement aux matériels. Cependant, il ne peut pas être utilisé comme interface entre des systèmes intelligents qui possèdent leurs propres domaines PCI Express indépendants. Pour pallier ce problème, il suffit d’utiliser un pont non transparent (NTB) PCI Express. En effet, un NTB sépare de manière logique les deux domaines PCI tout en proposant un mécanisme permettant de traduire certaines transactions PCI dans l’un des domaines PCI en transactions correspondantes dans l’autre domaine PCI. Le PCI Express peut alors servir d’interface de communication entre des systèmes intelligents. Les NTB peuvent être utilisés dans une configuration de systèmes pour interfacer plusieurs sous-systèmes intelligents et pour interfacer des systèmes physiquement indépendants lorsqu’ils sont associés au « PCI Express câblé » ou à Thunderbolt. Les spécifications PXI MultiComputing (PXImc), publiées par le groupe PXI Systems Alliance (PXISA) en novembre 2009, standardisent l’usage des NTB et fournissent ainsi un cadre permettant de créer des systèmes de test et mesure complexes hautes performances.

En raison des tendances technologiques de l’industrie du PC, comme la dominance des interfaces de communication série, l’unification des E/S, et la généralisation de la communication sans fil, le PCI Express est incontournable en tant que bus système et devrait s’imposer comme le principale bus d’interface externe. Les systèmes de test automatique qui exploitent le PCI Express dans ses différentes implémentations sont parfaitement positionnés pour offrir les performances les plus élevées et une souplesse optimale pour un coût avantageux. Ils vont devenir un standard de fait dans les applications de mesure et de test automatique.