机器视觉：PCI和PCI-E总线简介

机器视觉：PCI和PCI-E总线简介

在机器视觉系统中，图像采集卡起到的是桥梁纽带的作用。根据不同的应用需求，我们通常用的采集卡有模拟图像采集卡、1394图像采集卡、USB扩展卡、GIGE千兆网卡、Camera Link图像采集卡等。这些采集卡大部分都是基于PCI、PCI-e总线技术。
PCI
一种由英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，后来又提出把PCI 总线的频率提升到66MHz，传输带宽能达到266MB/s。
PCI总线
普通PCI总线带宽一般为133MB/s(在32bit/33Mhz下)或者266MB/s（在32bit/66Mhz下）。对于普通的声卡、百兆网卡、Modem卡等扩展设备一般使用的是133MB/s的传输速率，这种设备的金手指特征一般是与PCI插槽对应（长-短），而对于部分PCI显卡、千兆网卡、磁盘阵列卡、USB2.0或者火线卡等需要较高带宽的PCI设备一般可以使用266MB/s的带宽，这种设备的特征是金手指一般是三段式（短-长-短）。
PCI总线根据频率有33MHZ、66MHZ两种，总线带宽分别为133MBps、266MBps，根据其编码方式8b/10b方式，有效的数据带宽约为总带宽的80%，那么实际上PCI的数据带宽约为106.4MBps、212.8MBps。假如使用500万像素的工业相机（如AVT Guppy Pro 503），其每帧图像的有效数据约为4.8MB，帧率为13FPS，则其每秒需要传递的数据量至少为4.8*13=62.4MBps。根据计算得到的数据，PCI总线如果是33MHZ的，最多只能使用1个500万像素的相机在全速下运行。2个相机要想全速运行则需要124.8Mhz以上的总线带宽（66MHz时可以满足）。
PCI总线作为图像采集设备总线结构的一种，其支持多总线主控器。PCI采集卡是诸多图像采集卡中的一类，是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一 PCI 插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统。
PCI-E
PCI-Express是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。随后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司开始起草新技术的规范，并在2002年完成，对其正式命名为PCI Express。
它采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。
PCI-E总线
目前，PCI-E总线分为三种标准，即PCI-e 1.X、PCI-e 2.X、PCI-e 3.X。PCI-e 1.0版本的的单通道的数据传输速度为2.5Ghz，使用8b/10b编码，有效数据带宽256MB；PCI-e 2.0版本的单通道数据传输速度为5Ghz，使用的也是8b/10b编码，有效数据带宽512MB；PCI-e3.0版本的单通道数据传输速度为8Ghz，使用提128b/130b编码，有效数据带宽接近1GB。以上提及的速度仅限一通道单向，如果是16通道，即PCI-E X16，则其双向带宽可分别达到8GB、16GB、32GB。这个对于目前的工业相机图像传输没有任何压力。
例如，如果使用AVT Guppy Pro 503B 500万像素13帧的工业相机，则其每秒的数据传输量为62.4MBps，那么使用PCI-e2.0版本的X1一通道的总线，也能提供512MB的数据带宽，理论上可以连接8个这样的工业相机。
实际上有没有这么好的效果呢？因为1394、GIGE等接口总线都受数据包大小的限制。如1394B总线的最大数据包为8K，如果连接8个相机，理论上每个相机的数据包只能为1K，这样其采集速度大约仅仅只能到达1.5FPS。
PCI-e的主要优势就是数据传输速率高，目前最高的16X 2.0版本可达到10GB/s，而且还有相当大的发展潜力。