基于LabVIEW的多核系統(tǒng)編程技術(shù)

　　因為NI LabVIEW是數(shù)據(jù)流編程語言，開發(fā)者們可以編寫并行的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以直接映射到并行的硬件(如多核心處理器和FPGA等)上以獲得最優(yōu)異的性能。這篇白皮書討論了什么是數(shù)據(jù)流編程以及為什么說NI LabVIEW是多核系統(tǒng)編程的首選。

　　免費午餐結(jié)束了

　　近幾年來，處理器的速度遭遇到了瓶頸。摩爾定律表明，每隔18~24個月芯片中晶體管的數(shù)量就會增加一倍。這在過去的40年里始終是適用的，但是芯片性能卻不再保持線性增加了。過去，芯片生產(chǎn)廠商通過增加處理器的時鐘速度來提高芯片的性能，如從100~200MHz，再到最近的數(shù)GHz的范圍。

　　但是在今天，由于功耗和散熱的限制，通過提高時鐘速度來增加性能的方法行不通了。芯片廠商開始轉(zhuǎn)向另一種全新的芯片構(gòu)架，就是在單芯片上集成多個處理器內(nèi)核。相對于單核處理器，程序員們可以使用多核處理器完成更多的任務(wù)。為了充分利用多核處理器，程序員們需要重新考慮開發(fā)應(yīng)用程序的方法。微軟公司的軟件設(shè)計師Herb Sutter曾說過，對于那些期望最終用戶簡單的將計算機升級到更快的處理器就可以立即看到軟件程序性能提升的開發(fā)者而言，“免費午餐結(jié)束了”。簡而言之，在相當(dāng)長的一段時間里，軟件開發(fā)是這樣的，但是現(xiàn)在情況不同了。

圖1：摩爾定律表明處理器速度不能更快了，所以Intel和AMD等芯片廠商正在轉(zhuǎn)向在單個處理器上集成多個核心的方法。

　　順序執(zhí)行的程序在處理器的速度提升后將得到性能的改善，將電腦升級到更快的CPU意味著一個序列中每個單獨的指令都將運行得更快。為了在多核系統(tǒng)中繼續(xù)獲得性能提升，你需要設(shè)計一個在內(nèi)核間分配任務(wù)的應(yīng)用程序，從本質(zhì)上說來就是開發(fā)并行應(yīng)用程序來取代順序執(zhí)行的程序。

　　LabVIEW――一種圖形化數(shù)據(jù)流式編程語言

　　在LabVIEW中開發(fā)應(yīng)用程序的主要優(yōu)勢是這種語言有著直觀、圖形化的特點。在LabVIEW中，用戶解決工程問題就像是在紙上畫框圖一樣?，F(xiàn)代多核處理器技術(shù)使得LabVIEW成為一種更適合的編程工具，因為它有著并行化表達(dá)和執(zhí)行任務(wù)的能力。

　　LabVIEW的數(shù)據(jù)流特性使得如果連線中存在著分支，或者是框圖中存在并行序列，那么LabVIEW執(zhí)行機構(gòu)會嘗試著并行的執(zhí)行程序。在計算機科學(xué)術(shù)語中，這稱為“潛在的并行化”，因為你不需要根據(jù)并行運行的需要明確地編寫并行代碼，編程語言自己會進行一定程度的并行化。

　　從單核到雙核計算機，理論上講，獲得的性能應(yīng)該是原來的兩倍。但是，與這個極限接近的程度取決于用戶應(yīng)用程序運行的并行化程度。LabVIEW程序員們可以很方便的以并行方式來表示他們的解決方案。對于普通的LabVIEW應(yīng)用程序而言，如果不考慮多核心編程技術(shù)，在不改寫代碼的情況下，與最初的程序相比，可以獲得25%到35%的性能提升，這都是緣于普通LabVIEW程序所具有的并行特性。

　　圖2是一個簡單的應(yīng)用程序的例子。其中，LabVIEW代碼中的分支簡化了兩個分析任務(wù)――一個濾波器操作和一個快速傅立葉變換(FFT)，使它們可以在雙核機器上并行執(zhí)行。在圖表中沒有顯示的性能測試代碼，它首先在單核模式下(關(guān)掉其中的一個核)運行“for loop”一次，然后在雙核的模式下運行。因為這兩項任務(wù)都是計算量很高的，利用任務(wù)并行化獲得的性能改進為原來的1.8倍。

圖2：典型的LabVIEW應(yīng)用程序，它展示了數(shù)據(jù)流編程所具有的與生俱來的并行特性。

　　基于文本的編程語言如C語言等，在代碼中利用特殊標(biāo)記來表示并行化代碼，創(chuàng)建并行任務(wù)(也就是創(chuàng)建獨立的線程)。管理這些多線程的應(yīng)用程序?qū)⑹且粋€挑戰(zhàn)。

　　在C語言中，用戶必須使用鎖操作、互斥量、原子操作和其他高級編程技術(shù)來管理同步。當(dāng)多線程變得難于跟蹤調(diào)試，通常的編程缺陷便出現(xiàn)了，如下所示：

　　1. 由于線程太多而導(dǎo)致效率低下。

　　2. 死鎖――線程一直在等待某些而不能進行處理。

　　3. 競爭狀況- 代碼運行的時序沒有被正確管理，在需要數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)不是沒有準(zhǔn)備好就是已經(jīng)被覆蓋掉了。

　　4. 存儲器沖突――與代碼中存儲器管理相關(guān)的問題。

　　由于使用C語言進行開發(fā)面臨的這些挑戰(zhàn)，LabVIEW程序員們可以獲得比以往更高的效率。

　　LabVIEW是利用實時SMP支持，處于“Multicore Ready”軟件層的最上層Intel公司定義了用戶需要評估的四個軟件層次來確定多核系統(tǒng)的可用程度。如果所用的應(yīng)用程序庫和設(shè)備驅(qū)動不是為多核而設(shè)計的，或者操作系統(tǒng)不能夠在多個核心上進行負(fù)載均衡，那么并行程序在多核心系統(tǒng)上并不會運行得更快。