Express macht Daten Dampf

Framegrabber - Mit PCI Express (PCIe) hält ein neues Bussystem Einzug in die PC-Industrie. Was bringt diese Entwicklung für die Bildverarbeitung?

12. Mai 2006

Wie sehr oft in der Geschichte der Datenverarbeitung wurde der neue, schnellere PC-Bus vorangetrieben von der Forderung nach höheren Busbandbreiten, reduzierten Kosten und einer Vereinheitlichung und Vereinfachung des komplexen Datenverkehrs. Der zurzeit noch weit verbreitete PCI-Bus bietet eine maximale Transferleistung von 133 MB/s, die von allen angeschlossenen Komponenten geteilt werden muss. Hierzu zählen nicht nur PCI-Steckkarten, sondern auch alle Onboard- Geräte wie Netzwerk, USB, Festplatten- Controller (IDE), die gleichfalls am PCI-Bus angeschlossen sind. Mit AGP (Accelerated Graphics Port) wurde bereits die Grafikkarte als eines der bandbreitenintensivsten Geräte vom PCI-Bus entkoppelt. AGP leistet heute maximal 2,1 GB/s Datendurchsatz bei einer AGP-8x- Konfiguration. Bei aktuellen Grafikanforderungen sind aber auch diese Werte bereits zu gering. Außerdem wird durch AGP die Problematik der Bandbreitenteilung unter allen PCI-Geräten nur gelindert und keinesfalls gelöst. Das beste Beispiel für diesen Umstand sind die neuen, Bandbreiten verschlingenden Anwendungen wie Gigabit Ethernet. PCI Express (PCIe) ist entwickelt worden, um die Transferproblematik von PCI zu beheben und gleichzeitig AGP vollständig zu ersetzen. Wie aber funktioniert PCI Express und welche Bedeutung hat der Bus für die industrielle und wissenschaftliche Bildverarbeitung?

Serielle Übertragung

Eine der größten Neuerungen von PCI Express ist, dass die Daten nicht mehr parallel übertragen werden. So wie im Bereich der Festplatten Serial-ATA das alte Parallel-ATA sukzessive verdrängt, nutzt PCIe eine serielle Datenübertragung. Damit ist PCIe kein paralleler Bus mehr (wie PCI und PCI-X), sondern definiert eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung, den so genannten Link. Die Datenübertragung innerhalb des Links erfolgt über Lanes, wobei jede Lane wiederum aus einem Adernpaar für das Senden und einem Adernpaar für das Empfangen von Daten besteht. Eine einzelne Lane ist damit voll duplexfähig, sie wird mit 2.5 GHz getaktet. Daraus resultiert aufgrund der 8bit/ 10bit-Kodierung ein Datentransfervolumen von 250 MB/s pro Lane gleichzeitig in jede Richtung. Durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Lanes kann der Anwender auf höhere Bandbreiten zugreifen. So nutzt ein PCIe-x4- Steckplatz vier Lanes und erreicht damit ein maximales Transfervolumen von 1 GB/s, ein PCIe-x16-Slot erreicht 4 GB/s und PCIe x32 sogar 8 GB/s in jede Richtung. Zum Vergleich: PCI erlaubt 133 MB/s und PCI-X 1 GB/s, jedoch jeweils nur in eine Richtung.

Skalieren und umstellen

Neben der reinen Steigerung der Bandbreite bietet PCIe weitere Vorteile: Durch die flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten von x1 bis x32 lässt sich jedes System genau gemäß der jeweiligen Bandbreitenanforderung skalieren. Die serielle Datenübertragung reduziert die Leitungsanzahl, was zu einfacheren und kostengünstigeren Board-Layouts führen soll. Die Software der beiden Systeme ist 100-prozentig kompatibel. Ohne jedes Update nehmen PC und Betriebssystem den leistungsfähigeren PCIe-Bus und den herkömmlichen PCI-Bus identisch wahr. Dadurch kann ein bestehendes PCI-System jederzeit ohne Software-Anpassungen auf PCI Express umgestellt werden. Matrox, der kanadische Hersteller von Hardund Software für Bildverarbeitungs-, Grafik-, und Videoanwendungen, hat sich die Vorteile von PCI Express nutzbar gemacht: Mit den Produktfamilien Morphis, Solios, Helios, Vio und Odyssey sind analoge und Camera-Link-Framegrabber für jede Anwendung erhältlich. Vertrieben werden sie von der Rauscher GmbH in Olching, die auch Kameras, Software und weitere BV-Komponenten anbieten.

Für Machine Vision und Video

Analoge Standard-Kameras in monochromer Ausführung und in Farbe erfasst Matrox Morphis, das Dual-Decoder-Board mit zwei getrennten Analogeinheiten. Mit dem gleichzeitigen Digitalisieren von zwei nicht synchronisierten Videoquellen, dem schnellen Umschalten der Kanäle bei bis zu 16 Kameras, User-I/Os sowie Watchdog-Timer eignet sich der Framegrabber für vielfältige Anwendungen in Machine Vision und Videoüberwachung. Für die speziell in der Medizintechnik immer stärker aufkommenden SDI-Signale (Serial Digital Interface) eignet sich das Matrox-Vio- Board. Zusätzlich zur flexiblen Bilderfassung können die Videodaten mit minimaler Latenzzeit synchron zum Dateneingang wieder digital oder analog ausgegeben werden - sogar mit einem graphischen Overlay. Analoge Nicht-Standard-Kameras beziehungsweise Kameras mit Camera Link profitieren mit den PCIe-Varianten der Solios-Serie von dem schnellen PC-Bus. Mit bis zu vier unabhängigen Analog-Eingangskanälen beziehungsweise dem Camera-Link-Interface in Medium- oder Dual-Base-Konfiguration werden alle Flächen- und Zeilenkameras sämtlicher Hersteller unterstützt. Laut Rauscher ist bei der Solios der optionale FPGA-Baustein besonders interessant, der kundenspezifische Verarbeitungsfunktionen online und schnell durchführt. Die Erfassungseinheiten der beiden High- Speed-Boards Matrox Helios und Matrox Odyssey bieten ein Camera-Link-Interface entweder in Dual-Base- oder Single-Full-Konfiguration bis 85 MHz. Auf den Analog-Varianten werden mit vier A/D-Wandlern bis zu 160 MHz Abtastrate erreicht - genug Leistung auch für die Digitalisierung von VGA-Karten. Die Boards integrieren einen spezialisierten ASIC, den Pixel- Accelerator. Dieser berechnet bereits onboard pixelintensive Vorverarbeitungsfunktionen wie Histogramme, Konvolutionen und morphologische Operationen. Bei den Vision-Prozessorboards der Odyssey- Serie wird darüber hinaus die gesamte Bildverarbeitung vollständig auf die vorhandene Akquisitions- und Verarbeitungs-Hardware ausgelagert. Die Odyssey-Boards verfügen neben dem Pixel-Accelerator über einen echten Prozessor und verarbeiten die Bilddaten mit beliebigen, frei programmierbaren Algorithmen - der Host-PC wird vollständig von der Bildverarbeitung entlastet. Alle PCIe-Framegrabber sind zu 100 Prozent softwarekompatibel zu PCI/PCI-X-Boards - ein Umstieg auf das neue Bussystem erfolgt daher ohne jede Portierung bestehender Bildverarbeitungsanwendungen. Von PCI Express profitieren alle Anwendungen: Highend-Anwendungen mit schnellen Kameras und großen Datenmengen nutzen das High-Speed-Bussystem zusammen mit Boards wie Helios oder Odyssey zur schnellen Datenübertragung. Applikationen, die geringere Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit stellen, können schnell zu PCIe-Plattformen aufgewertet werden, da bereits heute kostengünstige Standard-Framegrabber wie Morphis oder Solios mit dem PCI-Express-Interface verfügbar sind.

Vollständiges Spektrum

Eigenen Aussagen zufolge ist Matrox damit der einzige Hersteller, der ein vollständiges Spektrum an PCIe-Framegrabbern anbietet: Der Anwender hat die Wahl zwischen einfachen Framegrabbern, Highend-Framegrabbern mit Onboardvorverarbeitung bis hin zu Vision- Prozessorbaords für höchste Performance und Host-PC-Entlastung. Ob dabei PCI, PCI-X oder das PCI Express zum Einsatz kommen soll, kann er frei entscheiden.

Erschienen in Ausgabe: AUTOMATICA/2006