Daten-Streaming-Lösungen für PXI-RAID- Systeme im Einsatz

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1 Daten-Streaming-Lösungen für PXI-RAID- Systeme im Einsatz Christian Gindorf Business Development Manager National Instruments Central Europe

2 Agenda 1. Was ist Streaming? 2. Architektur von PXI und PXI Express 3. PXI und PXI-Express-Streaming-Architekturen 4. Speichermedien und RAID-Systeme Addonics Conduant StreamStor National Instruments RAID

3 National Instruments NI HQ Hauptsitz in Austin, Texas Mitarbeiter Fast 40 Niederlassungen 5 Entwicklungsstandorte mehr als Produkte 600 Alliance Partner mehr als Kunden Kunden in über 90 Ländern NI s Mission: To create innovative computer-based products that improve everyday life by improving technology.

4 Was ist Streaming? Daten kontinuierlich mit hoher Datenrate übertragen Beispiele Breitbandige RF-Signale aufzeichnen oder wiedergeben Digitale Daten (Testvektoren) verarbeiten Datentransfer in ATE-Testsystemen (statt GPIB/ LXI) Anwendungen Testen von Empfängern (Tunern) Kameras simulieren Test von Displays (mit z. B. seriellen digitalen Schnittstellen) Spectrum Monitoring, Überwachen von Funksignalen

5 Beispiele UKW-Bereich DAB DVB 20 MHz Bandbreite (88 MHz bis 108 MHz) Ein Kanal belegt etwa 200 khz Ein Ensemble (enthält ca. 5 Kanäle) belegt etwa 1,5 MHz Bandbreite DVB-Terrestrisch nutzt 6-8 MHz Bandbreite pro Ensemble Digitale Schnittstellen für Displays Serielle digitale Signale Mehrere GB/s

6 Aufbau eines Streaming-Systems Messgerät etc. erzeugt die Daten PC zur Verarbeitung Speichermedium zum Aufzeichnen Arbeitsspeicher Flash-Speicher Festplatten Messgerät, RF-Analysator, etc. PC Speichermedium

7 Vergleich von Bussystemen Wichtig ist ein Bussystem mit hoher Bandbreite Für den Anschluss von Festplatten hat sich Serial ATA (SATA) etabliert. Der aktuelle Standard SATA II ist für bis zu 300 MB/s spezifiziert USB 2.0 hingegen bietet nur max. 60 MB/s PXI-Express bietet bei den Bussystemen für Messgeräte die höchste Bandbreite von derzeit 1 GB/s (2 GB/s ab der Version 2.0) GPIB LXI PXI PXI Express Transferrate 1MB/s 12,5 MB/s 132MB/s 1GB/s Transferzeit für 32 MB 32 seconds 2.56 seconds 0.24 seconds 0.03 seconds Improvement over GPIB 1x 12.5x 132x 1000x

8 Beispielhafte Datenraten von NI-PXI-Modulen PXI Digitizer/Scope PXI-Express Digitizer/Scope RF-Analysator/Generator PXI-Express-AWG High-Speed-Digital-I/O DAQ (Multifunktions- Datenerfassungkarten) ~100 MB/s ~800 MB/s 100 MB/s (für 20 MHz RF- Bandbreite) ~200 MB/s ~200 MB/s >90 MB/s

9 Beispiel: Digitizer NI PXIe-5122 Abtastrate: 100 MS/s Analoge Bandbreite: 100 MHz Kanäle: 2 Auflösung: 14-Bit Trigger: Edge, window, hysteresis, video, und digital alle mit 100 ps Zeitstempel-Genauigkeit Datenraten von bis zu 400 MB/s Busanbindung: PXI-Express x4 mit max. 1 GB/s

10 Beispiel: NI PXIe-5442 AWG Abtastrate: 100 MS/s, Datenraten bis 200 MB/s Analoge Bandbreite: 40 MHz Dynamikbereich: (16 bit DAC) SFDR: -91 dbc Integrierter Digitaler Upconverter (DUC) Synchronisierung mehrerer Module Skew von <20 ps rms

11 Beispiel: NI PXIe-6537 High-Speed DIO Digitaler Pattern-Gernerator und Analysator Taktraten von max. 50 MHz Logikpegel: einstellbar: 2,5, 3,3 und TTL-kompatibel Kanäle: 32, einzeln konfigurierbar als Ein-/Ausgang Datenraten: Signalausgabe: bis 180 MB/s Datenerfassung: bis 200 MB/s

12 PXI Die Plattform für virtuelle Instrumente 132 MB/s PCI Datendurchsatz für den gesamten Bus (Alle Karten teilen sich diese Bandbreite.) Industrieller Formfaktor (cpci-kompatibel) Integrierter Timing- und Trigger-Bus Triggerbus mit 8 Leitungen Star Trigger mit low-skew 10 MHz Referenzzeitbasis Offene Architektur Windows oder Linux-Software Hohe Verbreitung >60 Hersteller >1500 Geräte

13 Architektur eines PXI-Systems CPU Controller Chassis Front-Side Bus North Bridge Memory Bus RAID South Bridge ATA PCI Bus PCI Bridge

14 Streaming vom/in den Arbeitsspeicher Front-Side Bus CPU North Bridge Speicher ~GB/s Memory Bus Höchstmögliche Datenraten auf PXI! Geringe Speichertiefe, etwa 2-3 GB Durchsatz wird von Bussystem begrenzt Chipsatz ~GB/s RAID South Bridge ATA PCI Bridge

15 Streaming von/zu Festplatten im PXI-Controller Front-Side Bus CPU North Bridge Speicher ~GB/s Memory Bus Hohe Speichertiefe, geringster Durchsatz Zweimaliger Datentransfer durch Chipsatz hat kaum Auswirkungen auf Datenrate Festplatten limitieren den Durchsatz Chipsatz ~GB/s RAID South Bridge PCI Bridge ATA Einzelne Festplatte max. ~70MB/s

16 Benchmarks: Streaming auf einzelne HDDs 2,5 Festplatte im PXI-8105 PXI-Controllerca. 30 MB/s 2,5 Festplatten bis 50 MB/s 3,5 Festplatten bis 100 MB/s USB/IEEE-1394-Festplatten sind durch Bus auf etwa 60 MB/s limitiert USB 2.0 max. 480 Mbit/s IEEE 1394 max. 400 Mbit/s External SATA (esata) bietet Transferraten von bis zu 3GBit/s (300MB/s)

17 Höhere Transferraten mit RAID RAID bedeutet Redundant Array of Inexpensive Disks Transparent für Betriebssystem und Programme RAID-0 ist Striping ohne Redundanz Datenstrom wird auf mehrere Platten verteilt Höherer Datendurchsatz Keine höhere Datensicherheit Bus-Anbindung über PCIe, esata

18 Streaming von/zu RAID-0 Festplatten-Arrays Front-Side Bus CPU North Bridge Speicher ~GB/s Memory Bus Hoher Datendurchsatz Hohe Speichertiefe Durchsatz wird duch PXI-Bus begrenzt Chipsatz ~GB/s RAID RAID >>100MB/s South Bridge ATA PCI Bridge

19 RAID-Systeme von NI für PXI NI PXI-8353 Controller im 19 Format mit Intel Core 2 Quad Q6600 (2.4 GHz quad core) Integriertes RAID-0 (4x 250 GB SATA II) 2 Gigabit Ethernet, 4 Hi-Speed USB, 2 PS/2-Ports; 1 serieller und 1 VGA-Port PXI-Anbindung über MXI-Link Preis: 3999 Euro

20 RAID-Systeme für PXI von Drittanbietern ExpressCard am PXI-Controller bietet eine x1-pcie-verbindung Bei neuen Notebooks verbreitet Verschiedene Hersteller bieten für diesen Steckplatz esata-schnittstellen und RAID-Controller RAID-System mit Anschluss über ExpressCard von z. B. Addonics Datenraten von bis zu 110 MB/s ~110 MB/s

21 Streaming mit PXI-Systemen Zusammenfassung: PXI/PCI-Datenbus mit etwa 110 MB/s kontinuierlichem Durchsatz Festplatten im PXI-Controller max. 50 MB/s (Feb. 2008) RAID erreicht Durchsatzraten von mehreren 100 MB/s Empfehlungen NI PXI-8353 Controller mit integriertem RAID Externe Lösungen zum Anschluss an ExpressCard-Steckplatz von Addonics

22 PXIe PCI-Express im PXI-Formfaktor Basiert auf dem Standard PCI Express und PXI Markteinführung im Jahr 2004 Technische Daten Datendurchsatz bis 1000 MB/s pro Slot und Richtung mindestens 250 MB/s pro Richtung Systemdurchsatz bis 4 GB/s Integrierter Timing- und Trigger-Bus Sync bis auf wenige ps 10 MHz & 100 MHz Referenzzeitbasis (±25 ppm stability) PXI-Express Chassis mit Blick auf die Steckplätze Kombination von PXI und PXI-Express in einem System möglich

23

24 Architektur eines PXI-Express-Systems CPU Controller Chassis Front-Side Bus North Bridge Memory Bus RAID South Bridge ATA PCIe Switch PCI Express Links Systemdurchsatz bis 4 GB/s ~1000MB/s PCIe Switch

25 Aktuelle PXI-Express-Hardware PXIe-8130 Up to 4 GB/s Systembandbreite (4 unabhängige x4-links) 2.3 GHz AMD Turion 64 X2 dual-core CPU Preis: 4449 Euro PXIe-1065 PXI Express Direct 7 & 8 Switched PXI-Express-, 9 PXI -Steckplätze Bis zu 1 GB/s Bandbreite pro Steckplatz 2 PXI Express-Plätze mit direktem Link zum Controller, 6 switched (shared) Preis: 4849 Euro

26 PXI Express Data Streaming HDD-8264 (2U) 12 Festplatten, 3 TB Durchsatz: 600 MB/s* HDD-8263 (1U) 4 Festplatten, 1 TB Durchsatz: 200 MB/s* NI 8262 für PXI Express x4 cabled PCI Express module Zum Anschluss der RAID an PXIe Windows-Dateisystem Robuste Festplatten für Dauereinsatz Kabel mit 3m and 7m Verfügbar ab ca. April 2008 Gesamtpreis: 3667 * Die Durchsatzraten sind garantiert für 75 % der Speichertiefe

27 NI HDD Drive RAID Array 12-Port RAID mitpciecontroller PCIe Downstream Device PCIe Host Adapter GB SATA HDDs Größere HDDs sind möglich 600 MB/s Read/Writes x4 PCIe Link

28 Conduant s DM425 Storage Module Transferraten von 200+ MB/sec höhere Werte mit Solid State Drives Bauform: 3 Slots (PXI Express) Festplatten: 4x 2,5 Software RAID Verfügbar ab Q1/2008 Weitere Informationen zu Conduant auf niweb/streaming

29 Conduant StreamStor PXIe-416 Schreiben von PXI/PXI-Express Geräten direkt in den StreamStor-Speicher Auch mehrfach parallel in einem PXI-System nutzbar Allerdings ist es nicht als Festplatte unter Windows nutzbar Datenrate >600 MB/s Speichertiefe bis 12 TB Unterstützte NI-Geräte: High-Speed-Digitalisierer Arbiträre Signalgeneratoren RF-Analysatoren RF-Generatoren High-Speed Digital PXI-Schnittstelle Preis etwa $ Speichermedium

30 Auswahl und Optimierung von Festplatten Festplatten haben oft keine Angabe für Streaming Benchmarks selbst durchführen möglichst aktuelle Geräte verwenden Optimierung dedizierte Festplatte für Streaming verwenden beim Formatieren große Cluster-Größe (Allocation Unit Size) wählen Schreib-Cache einschalten Ausschalten von Systemwiederherstellung und Papierkorb Festplatte vor Verwendung defragmentieren (besser formatieren) leere Festplatten benutzen, Windows nutzt Festplatten von außen nach innen Vermeiden anderer Dateizugriffe auf die Festplatte Dateien vorab erstellen und dann beschreiben (Contig-Tool)

31 Tipp zur Optimierung der Dateizugriffe in LabVIEW Standard-VIs für Zugriff auf binäre Dateien sind nicht für Streaming optimiert (denn sie buffern die Daten) Spezielle VIs (Win32 file I/O VIs ) für Streaming-Dateizugriff Win32 file I/O VIs sind verfügbar in der Developer Zone Dateizugriffe und Instrumenten- I/O parallel durchführen!

32 Zusammenfassung Streaming mit PXI Bis etwa 110 MB/s RAID-Systeme mit ExpressCard Interface NI PXI-8353 Controller mit integriertem RAID Streaming mit PXI-Express NI RAID-Systeme mit bis 600MB/s und 3 TB Conduant StreamStor Datenraten über 600 MB/s Kapazitäten bis zu 12 TB

33 Weitere Informationen ni.com/streaming/d

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