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Un nouveau bus pour l'instrumentation

Youssef Belgnaoui

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- La version "Express" de l'extension du bus PCI pour l'instrumentation (PXI) s'apprête à voir le jour. Maîtres mots : vitesse et compatibilité.

Tous les bus se mettent à l'"Express". Le bus parallèle PCI, embarqué dans tous les PC pour connecter les périphériques, va progressivement disparaître de nos ordinateurs pour laisser la place au PCI Express (voir Industrie et Technologies n° 868) qui abandonne l'architecture parallèle pour faire appel à une communication série. En éliminant le goulet d'étranglement du bus PCI, PCI Express promet des vitesses de transfert gigantesques : de 250 Mo/s à 8 Go/s !

Logiquement, les bus industriels basés sur l'architecture PCI suivent le mouvement. Ainsi, le 27 juin, le PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer Group) adoptait les spécifications du futur bus CompactPCI Express. Le 16 août, c'était au tour de la PXI Systems Alliance d'annoncer que les spécifications du PXI Express étaient en cours de validation. Celles-ci devraient être finalisées fin 2005. Les systèmes PXI Express offriront une bande passante pouvant atteindre 6 Go/s, 45 fois supérieure aux systèmes PXI actuels ! Le bus PXI a été conçu par National Instruments pour s'affranchir des lacunes du PCI dans les applications de test et de mesure. L'architecture PC a, en effet, évolué sans se soucier d'intégrer des caractéristiques indispensables à l'utilisation de PC dans l'industrie : résistance aux chocs, aux vibrations, aux températures élevées, aux ambiances humides, etc. De plus, dans un PC, seuls trois à quatre emplacements sont laissés libres pour insérer des cartes d'acquisition, de traitement ou de communication. Un châssis PXI peut recevoir un contrôleur embarqué et sept cartes PXI.

L'architecture PXI découle du CompactPCI qui combine, dans un châssis modulaire et compact, la souplesse d'un PC et un conditionnement durci, bien adapté aux besoins de l'industrie. Les applications de test et mesure réclamaient des caractéristiques supplémentaires. L'architecture PXI ajoute donc au CompactPCI un ensemble de spécifications pour l'instrumentation. Il s'agit essentiellement d'un système de déclenchement avancé, d'un bus local et d'une horloge système. Le PXI définit des contraintes mécaniques supplémentaires ainsi qu'une direction de ventilation forcée dans le châssis. Mais tout cela n'empêche pas l'interopérabilité des cartes CompactPCI et PXI au sein du même châssis.

Compatibilité matérielle garantie

Né de sa seule initiative, National Instruments a immédiatement laissé les spécifications du PXI dans le domaine public afin de favoriser son développement. Sa stratégie a payé. Selon une étude de Frost et Sullivan, en 2004, le marché du PXI a atteint 118,1 millions de dollars pour 62 100 systèmes, ce qui représente une croissance de 40 %.

Les 65 entreprises, qui sont réunies au sein du PXI Systems Alliance, proposent 1 150 modules PXI-CompactPCI. Avec l'arrivée prochaine des modules PXI Express, il n'est pas question de mettre au panier tous les produits PXI existants. Car, dans l'industrie, les instruments de test et mesure ont traditionnellement de longs cycles de vie. Il a donc été prévu que la technologie PXI Express puisse intégrer le fond de panier PXI tout en préservant la compatibilité avec les systèmes existants.

Pour ce faire, les futurs châssis PXI disposeront d'emplacements hybrides. Ainsi, profitant de la haute densité du fond de panier PXI, il a été spécifié que les châssis PXI disposeront de quatre emplacements PXI traditionnels auxquels s'ajouteront trois emplacements PXI Express hybrides. Ces emplacements recevront aussi bien des cartes PXI Express, PXI et CompactPCI et offrent ainsi une compatibilité avec le matériel existant. Ce qui les démarque fortement des PC qui sont équipés de connecteurs PCI et PCI Express totalement incompatibles.

Accroissement de la cadence de transfert

La cohabitation du PXI et du PXI Express dans le même châssis permet de faire bénéficier de l'importante cadence de transfert du PCI Express aux seuls périphériques qui en tireront réellement avantage. Ainsi les multimètres, les commutateurs, les entrées/ sorties industrielles, les générateurs et autres analyseurs de signaux n'exigent pas forcément la bande passante de 250 Mo/s à 6 Go/s que promet le PXI Express. Il ne faut donc pas s'attendre à ce que les constructeurs de ce type d'instruments reconçoivent leurs modules existants au format PXI Express.

En revanche, certaines applications profiteront pleinement de cette cadence de transfert. L'accroissement de vitesse bénéficiera notamment aux systèmes de test de communications, aux interfaces pour les protocoles numériques rapides tels que Firewire ou Fibrechannel, les systèmes d'acquisition pour les tests structurels et acoustiques comptant un très grand nombre de canaux de mesure ou encore l'acquisition rapide d'images.

Environnement logiciel conservé

Un numériseur PCI Express 4x accédera directement au module CPU (via un contrôleur embarqué ou une liaison MXI vers un PC externe) avec une bande passante de 1 Go/s. Ce qui correspond à une cadence huit fois plus importante que celle proposée par le bus PCI cadencé à 33 MHz. Le numériseur peut continuellement échanger des données avec le CPU sans avoir à partager cette bande passante avec les modules adjacents. ZTec Instruments, fabricant de numériseurs et oscilloscopes au format PXI, a d'ailleurs annoncé que le taux de transfert du PXI Express lui permettra d'intégrer des fonctions de visualisation et d'affichage plus avancées.

En plus d'offrir une compatibilité matérielle grâce aux connecteurs hybrides, les systèmes PXI Express bénéficieront également d'une compatibilité logicielle. Puisque la compatibilité logicielle entre les bus PCI et PCI Express est garantie, celle entre le PXI et le PXI Express sera également assurée. Ainsi, les fournisseurs de matériels et les utilisateurs vont pouvoir migrer d'un matériel PXI vers son équivalent PXI Express sans que les applications logicielles, les systèmes d'exploitation et les drivers ne soient modifiés. Au final, grâce à cette compatibilité logicielle et matérielle, le coût du passage à la technologie PXI Express est réduit au minimum. L'utilisateur profitera des performances du PXI Express tout en conservant l'environnement logiciel qui lui est familier, préservant son investissement initial. Il lui reste encore à attendre de savoir si les produits PXI Express correspondront à ses attentes. Les premiers sont attendus courant 2006.

PXI EXPRESS, C'EST...

- La future extension du bus PCI Express pour l'instrumentation - Une bande passante de 250 Mo/s à 6 Go/s, soit 45 fois plus que les systèmes PXI actuels - L'assurance d'une compatibilité logicielle avec les applications PXI existantes - Des connecteurs hybrides accueillant aussi bien les modules PXI que PXI Express

PROFITER DÈS AUJOURD'HUI DE LA VITESSE

- Les spécifications du PXI Express sont encore dans les cartons. En revanche, le PCI Express est déjà à bord des PC. Il est d'ores et déjà possible de profiter de la vitesse de ce bus pour contrôler un système PXI depuis un PC. National Instruments a ainsi développé des interfaces MXI Express, capables de transmettre des données à la cadence de 110 Mo/s entre le PC et le contrôleur PXI. Soit une augmentation de 40 % par rapport à la liaison MXI-4, disponible au format PCI. De plus, un dispositif PXI peut désormais être piloté par un PC portable. La connexion au PC s'effectue via une carte compacte au format ExpressCard (75 x 34 x 5 mm).

- Pour contrôler un système PXI depuis un PC classique, National Instruments propose deux kits de connexion PCI Express. L'un d'entre eux permet de gérer, pour la première fois, deux châssis PXI avec une seule carte PCI Express. Ce qui évite d'utiliser un emplacement supplémentaire sur le PC et représente une économie de 40 %.

GENÈSE D'UN BUS

Juin 1992 PCI : Peripheral Component Interconnect, bus parallèle conçu pour connecter les périphériques à l'unité centrale des PC en remplacement du bus ISA (Industry Standard Architecture), apparue en 1981 avec le PC XT. Novembre 1995 CompactPCI : bus de fond de panier, extension du bus PCI tenant compte des impératifs industriels. Août 1998 PXI (PCI eXtension for Instrumentation) : ce format reprend les caractéristiques du CompactPCI en y ajoutant des spécifications pour la mesure. Juillet 2002 PCI Express : spécification d'un bus série haute vitesse amené à remplacer le bus PCI sur les PC. Premiers produits en 2004. Juin 2005 CompactPCI Express : adaptation des spécifications PCI Express au format CompactPCI. Fin 2005 PXI Express : les spécifications, en cours d'élaboration, devraient être finalisées à cette date.

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