PCI Express - Bildverarbeitung auf der Überholspur

Mit PCI Express (PCIe) hält ein neues Bussystem unaufhaltsam Einzug in die PC-Industrie. Wie immer wurde diese Entwicklung getrieben von der Forderung nach höheren Busbandbreiten, reduzierten Kosten und einer Vereinheitlichung und Vereinfachung des komplexen Datenverkehrs im Host-PC.

Eine kurze Historie

Der zur Zeit 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 bandbreiten-intesivsten Geräte vom PCI-Bus entkoppelt. AGP leistet heute maximal 2,1 GB/s Datendurchsatz (AGP 8x Konfiguration), allerdings ist bereits das bei aktuellen Grafikanforderungen gering. Außerdem wird durch AGP die Problematik der Bandbreitenteilung unter allen PCI-Geräten nur gelindert und keinesfalls gelöst (man denke nur an neue, bandbreitenhungringe Anwendungen wie Gigabit Ethernet).PCI Express wurde entwickelt, um die Transferproblematik von PCI zu beheben und gleichzeitig AGP vollständig zu ersetzen.Wie funktioniert nun PCI Express und welche Bedeutung hat der Bus für die industrielle und wissenschaftliche Bildverarbeitung?

Funktionsweise von PCIe

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 sog. 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 vollduplexfähig und wird mit 2.5 GHz getaktet. Daraus resultiert aufgrund der 8 Bit/10 Bit Kodierung ein Datentransfervolumen von 250 MB/s pro Lane gleichzeitig in jede Richtung. Höhere Bandbreiten werden realisiert durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Lanes. So nutzt ein PCIe x4 Steckplatz 4 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 alles jeweils nur in eine Richtung.Neben der reinen Steigerung der Bandbreite bietet PCIe weitere Vorteile: durch die flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten von x1 bis x32 lässt sich jedes System genau an die jeweilige Bandbreitenanforderung skalieren. Die serielle Datenübertragung reduziert die Leitungsanzahl deutlich, was zu einfacheren und kostengünstigeren Board-Layouts führt. Die 100% Software-Kompatibilität von PCIe zum bekannten PCI-Bus ist eine der größten Stärken und trägt zur raschen Verbreitung bei: Der PC und das Betriebssystem sehen ohne jedes Software-Update den leistungsfähigeren PCIe-Bus genauso wie den PCI-Bus. Dadurch kann jederzeit ein bestehendes PCI System zur Steigerung des Datendurchsatzes auf PCI Express umgestellt werden, ohne das Software-Anpassungen nötig sind.

Framegrabber für PCI Express

Wie immer ist Matrox up to date mit der aktuellen Entwicklung der PC Technologie, so dass bereits heute alle Vorteile von PCI Express auch in der Bildverarbeitung nutzbar sind. Mit den Produktfamilien Matrox Morphis, Matrox Solios, Matrox Helios, Matrox Vio und Matrox Odyssey sind analoge und Camera Link Framegrabber für jede Bildverarbeitungsanwendung erhältlich.

Framegrabber für Standardanwendungen

Analoge Standard-Kameras in monochrom und Farbe (Y/C, FBAS) erfasst Matrox Morphis, das Dual-Decoder Board mit 2 getrennten Analogeinheiten. Mit dem gleichzeitigen Digitalisieren von 2 nicht-synchronisierten Videoquellen, dem schnellen Kanal-umschalten von bis zu 16 Kameras, User-I/Os und Watchdog-Timer ist der Framegrabber ideal für eine Vielzahl an Anwendungen in Machine Vision und Videoüberwachung.Für die speziell in der Medizintechnik immer stärker aufkommenden SDI (Serial Digital Interface) Signale bietet das Matrox Vio SDI Board eine Lösung. Zusätzlich zur flexiblen Bilderfassung können die Videodaten mit minimaler Latenzzeit synchron zum Dateneingang wieder digital oder analog ausgegeben werden - sogar mit graphischem Overlay.Camera Link und Analoge Nicht-Standard Kameras werden unterstützt von den PCIe Varianten der bekannten Matrox Solios-Serie. Mit bis zu 4 unabhängigen Analog-Eingangskanälen bzw. dem Camera Link Interface in Medium- oder Dual-Base-Konfiguration werden alle Flächen- und Zeilenkameras sämtlicher Hersteller unterstützt. Besonders interessant auf der Matrox Solios ist der optionale FPGA-Baustein, der online kundenspezifische Verarbeitungsfunktionen durchführt.

Framegrabber für High-End Anwendungen

Die Erfassungseinheiten der High-Speed Boards Matrox Helios und Matrox Odyssey bieten entweder ein Camera Link Interface in Dual-Base- oder Single-Full-Konfiguration bis 85MHz. Auf den Analog-Varianten werden mit 4 A/D Wandler bis zu 160MHz Abtastrate erreicht - ausreichend Leistung auch für die Digitalisierung von VGA-Karten.Die Boards integrieren einen spezialisierten ASIC, den Pixel-Accelerator. Dieser berechnet bereits onboard pixelintensive Vorverarbeitungsfunktionen wie z.B. Histogramme, Konvolutionen und morphologische Operationen. Bei den Vision-Prozessorboards der Matrox Odyssey Serie wird darüber hinaus die gesamte Bildverarbeitung vollständig auf die Akquisitions- und Verarbeitungs-Hardware ausgelagert. Die Odyssey-Boards verfügen neben dem Pixel-Accelerator über einen echten Prozessor (1.3 GHz Motorola Power-PC CPU) und verarbeiten damit die Bilddaten mit beliebigen, frei programmierbaren Algorithmen - der Host-PC wird vollständig von der Bildverarbeitung entlastet.Alle PCI Express Framegrabber sind zu 100% Software-Kompatibel zu den bekannten PCI / PCI-X Boards - ein Umstieg auf das neue Bussystem erfolgt daher ohne jede Portierung bestehender Bildverarbeitungs-Anwendungen.

Fazit

Von PCI Express profitieren alle Bildverarbeitungs-Anwendungen: High-End 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 ohne Mühe auf moderne PCIe-Plattformen gebracht werden, da bereits heute kostengünstige Standard-Framegrabber wie Morphis oder Solios mit dem PCI Express Interface verfügbar sind.Matrox ist damit der einzige Hersteller, der ein derart vollständiges Spektrum an PCIe Framegrabbern anbietet: einfache Framegrabber, High-End Framegrabber mit onboard Vorverarbeitung bis hin zu Vision-Prozessorbaords für höchste Performance und Host-PC Entlastung - das Businterface ist jeweils frei wählbar PCI, PCI-X oder PCI Express!