【Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　２．０架构：迎接ＰＣＩ　ＥｘＰｒｅｓＳ和多核的时代】多核架构

　　基于Web的应用，包括Google、Wikipedia和YouTub，已经将Web从少数机构为多数消费者提供服务内容的应用模式转变为每个用户定制和定义他／她自己的消费内容的模式。人们把这种新的Web形式称为Web 2.0。
　　与此同时，我们的世界也变得越来越面向软件了。我们每天所使用的设备，诸如智能电话、机顶盒，甚至汽车，在很大程度上是可以通过它们嵌入的软件定义的，有些时候是可以动态重定义的。
　　现代仪器架构的发展也遵循了这两大趋势――支持用户自定义的定制功能和逐渐以软件为仪器架构的核心，因此用户可以完全定制自己的应用。
　　用户自定义仪器并不是一个新概念；实际上，这一概念已经以虚拟仪器的形式存在20多年了。但是，推动这一趋势的技术目前已经成熟，并即将突破。与Web应用一样，我们把与传统仪器架构有明显差别的新一代仪器架构称为“Instrumentation 2.0架构”。
　　
　　传统仪器架构
　　
　　我们不妨将传统仪器架构称为“Instrumentation 1.0架构”。为了从目前的有利位置回顾传统的仪器架构，我们首先需要定义几个指标。
　　第一个指标是信号带宽BWsignal，它是指数字信号的带宽，单位是MB/s。例如，如果以100 MS/s的速率和14位(称之为2字节)的分辨率对信号进行采样，其BWsignal就等于100×2，即200MB/s。
　　另一个指标是总线带宽BWbus，它是指总线的吞吐量，单位也是MB/s。
　　对于传统的独立式仪器，如果信号带宽大干总线带宽(BWsignal＞BWbus)，那么需要采用板级存储器和／或板级处理单元。为此而增加的硬件就会增大系统成本。
　　
　　因此，在传统的仪器架构中，测量功能是由仪器厂商定义并在仪器内以固件的形式实现的(如图1所示)。只有最终的测量过程(按厂商定义的)交由PC来完成，用户无法在信号处理或定制测量过程中控制真正的数据。
　　因此人们越来越需要针对特殊测试需求的用户自定义测试系统，这催生了新一代仪器架构的出现。
　　
　　可重定义的架构
　　
　　高带宽通信总线的出现，例如PCIExpress，改变了仪器的处理架构。当总线带宽超过信号带宽时，我们可以将整个信号波形通过通信总线发送给一个PC卡；当然，这个PC卡的处理器必须能够及时处理所有的输入数据。
　　多核处理器的出现为更大范围的应用提供了所需的处理能力。对于大多数应用而言，利用多核处理器的方法就不再需要板级信号处理和存储的方式了。
　　这种可重定义架构的真正优势在于用户现在可以完全定制自己的应用了。用户不再仅仅满足于获得一个预定的结果，而是可以通过软件构建自定义的测量功能。
　　如前所述，促成这一仪器架构变化的两种关键技术是高速数据总线(例如PCI Express)和多核处理技术。利用这些先进的技术，用户就可以采用尖端的Instrumentation 2.0架构产品解决那些原本需要特殊测量方案的应用问题了。
　　
　　高速数据总线
　　
　　对于面向软件的用户自定义仪器架构，问题集中在PC卡及其相关的技术。由于需要通过数据总线将由I/O硬件模块采集的信号传送给PC，因此至关重要的是总线技术必须能够跟上日益增大的I/O带宽和速度。 对于上限为8MB/s的理论传输速率，ISA总线为传统的仪器控制架构提供了足够的带宽。当PCI总线(132MB/s)出现以后，人们在很多应用中就可以采用Instrumentation 2.0架构了，例如音频测量和高速数据采集应用等。
　　PCI Express总线(如图3所示)的出现为总线带宽带来了巨大的提升，从而为很多新的应用提供了解决方案，例如射频通信测试和高速数字测试等。
　　
　　PCI Express是现有商用通信总线中吞吐量最高的总线标准，具有x1、x4、x8和x16四种链路模式，能够以极低的延迟提供单通道200MB/s的可用吞吐量。仪器类硬件配置中最常用的x1和x4两种模式能够分别提供200MB/s和800MB/s的专用吞吐量。具有3.2 GB/s可用吞吐量的x16模式目前常用于新一代PC的视频插卡上。
　　
　　多核的性能提升
　　
　　即使能够成功地将高速I/O硬件采集的信号传输给PC卡，PC卡也必须有足够的处理能力，处理所有传输来的数据。因此，最新的处理器技术能够在单芯片上集成多个处理器核或计算引擎，这一技术进一步为Instrumentation 2.O架构提供了重要保证。
　　Intel和AMD已经推出了双核处理器，今后的处理器将把核的数量扩展到四个以上。实际上，Intel正在计划在四年内推出80核的处理器。
　　但是，追求更强的处理能力并不是像购买最新的CPU那样简单。软件应用必须经过优化之后才能有效利用提升的多核处理器性能。用基于文本的编程语言(例如C语言)编写多线程应用程序对于大多数设计与测试人员来说不是一件简单的事情，需要具备创建与管理线程并在线程之间正确传输数据的专业编程能力。
　　多任务操作系统(例如WindowsXP和Vista)和多线程应用软件(例如美国国家仪器公司的LabVIEW软件)能够充分利用新一代多核处理技术带来的并行处理功能。
　　NI LabVIEW软件让用户能够充分发挥多核处理器的性能优势，这时因为它的图形化编程环境本身就支持并行编程。在LabVIEW中，两个没有共享数据相关性的循环能够自动地在不同的线程中执行，程序开发者不必关心线程管理的具体细节。
　　
　　1.0架构与2.0架构的对比
　　
　　在实际应用中，很多设计与测试人员往往结合使用Instrumentation 1.0和Instrumentation 2.0架构来解决问题。
　　尽管Instrumentation 1.0架构通常是由厂商定义的，定制功能有限，但是它们不需要外部处理部件。大多数1.0架构的仪器设备采用了带旋钮和按钮的触控式面板，非常适合于某些需要交互的测试台测量应用，例如模拟电路的调试。
　　然而，2.0架构的仪器在以下几个方面具有明显的优势：重复性的测试台测量任务、需要测量自动化、需要使用多台仪器、需要使用厂商没有预定义的分析功能等。
　　在这些情况下，基于软件的架构为用户按照能够满足其特殊应用需求的方式定义自己的系统提供了很大的灵活性。