利用NI LabVIEW優(yōu)化多核處理器環(huán)境下的自動化測試

多線程編程的挑戰(zhàn)

迄今為止，處理器技術(shù)的創(chuàng)新為我們帶來了配有工作于更高時鐘速率的CPU的計(jì)算機(jī)。然而，隨著時鐘速率逼近其理論上的物理極限，人們開始投入到具備多個處理核的新型處理器的開發(fā)。借助這些新型多核處理器，工程師們在自動化測試應(yīng)用開發(fā)中利用并行編程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和最大的吞吐量。愛德華×李博士——加州大學(xué)伯克利分校電氣與計(jì)算機(jī)工程教授——闡述了并行處理的技術(shù)優(yōu)勢。

“許多技術(shù)專家預(yù)言，對于摩爾定律的終結(jié)回應(yīng)，將是日趨并行的計(jì)算機(jī)架構(gòu)。如果我們希望繼續(xù)提高計(jì)算性能，計(jì)算機(jī)程序必須能夠利用這種并行機(jī)制。”

而且，業(yè)界專家業(yè)已認(rèn)識到，對于編程應(yīng)用，如何利用多核處理器將是一個巨大的挑戰(zhàn)。比爾×蓋茨——微軟公司的締造者——是這樣論述的：

“要想充分利用并行工作的處理器的威力，…軟件必須能夠處理并發(fā)性問題。但正如任何一位編寫過多線程代碼的開發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領(lǐng)域最艱巨的任務(wù)之一。”

幸運(yùn)的是，NI LabVIEW軟件，通過一個直觀的、用于創(chuàng)建并行算法的API，為我們提供了一個理想的多核處理器編程環(huán)境，所創(chuàng)建的并行算法可以將多個線程動態(tài)分配至一

項(xiàng)給定的應(yīng)用。事實(shí)上，您可以利用多核處理器優(yōu)化自動化測試應(yīng)用，以獲取最佳性能。

而且， PXI Express的模塊化儀器增強(qiáng)了這一技術(shù)優(yōu)勢，因?yàn)檫@些儀器利用了PCI Express總線所能支持的高數(shù)據(jù)傳輸速率。得益于多核處理器和PXI Express儀器的兩個具體應(yīng)用是：多通道信號分析和在線處理(硬件在環(huán))。在此白皮書中，我們將評估各種并行編程技術(shù)，并描述每項(xiàng)技術(shù)所帶來的性能優(yōu)勢。

實(shí)現(xiàn)并行測試算法

一項(xiàng)常見的得益于并行處理的自動化測試應(yīng)用便是多通道信號分析。由于頻率分析是一項(xiàng)占用處理器運(yùn)行時間較多的操作，您可以并行運(yùn)行測試代碼，將每個通道的信號處理分配至多個處理器核，提高執(zhí)行速度。從編程人員的角度來看，為獲得這一技術(shù)優(yōu)勢，唯一需要改變的只是測試算法結(jié)構(gòu)的細(xì)微調(diào)整。

為描述這一過程，現(xiàn)比較用于多通道頻率分析(快速傅立葉變換或FFT)的兩個算法的執(zhí)行時間，它們分別位于一個高速數(shù)字化儀的兩個通道上。NI PXIe-5122 14-位高速數(shù)字化儀的兩個通道均以最高采樣率(100 MS/s)采集信號。首先，我們察看LabVIEW中對應(yīng)于這一操作的傳統(tǒng)順序編程模型。

圖1. 利用順序執(zhí)行的LabVIEW代碼

采集來自數(shù)字化儀的兩個通道的信號

圖1中，兩個通道的頻率分析均在一個FFT快速VI中完成，它順序分析每個通道信號。雖然上述算法也可以在多核處理器環(huán)境下有效執(zhí)行，但是，您還可以通過并行處理每個通道來進(jìn)一步提高算法性能。

如果您剖析上述算法，就會發(fā)現(xiàn)完成FFT所需的時間要比從高速數(shù)字化儀采集數(shù)據(jù)長得多。通過每次獲取各個通道的數(shù)據(jù)并且并行執(zhí)行各個通道的FFT，可以顯著降低處理時間。圖2表示了一個采用并行方法的新的LabVIEW模塊框圖。

圖2. 利用并行執(zhí)行的LabVIEW代碼

順序獲取數(shù)字化儀的每個通道的數(shù)據(jù)。值得注意的是如果兩次數(shù)據(jù)獲取均來自不同的儀器，那么您可以徹底并行完成這些操作。然而，由于FFT占用大量的處理器時間，您仍可以僅通過將信號并行處理來改善性能，減少了總的執(zhí)行時間。圖3顯示了兩種實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行時間：

圖3. 隨著數(shù)據(jù)塊大小的增加，通過并行處理節(jié)約的處理時間愈為顯著。

事實(shí)上，對于更大的數(shù)據(jù)塊，并行算法方法實(shí)現(xiàn)了近2倍的性能改進(jìn)。圖4描述了性能隨采集數(shù)據(jù)塊大小(以采樣數(shù)為單位)增大而提高的精確百分比。

圖4. 對于大于1百萬采樣(100 Hz精度帶寬)的數(shù)據(jù)塊，并行方式實(shí)現(xiàn)了80%或更高的性能增長。

在多核處理器環(huán)境下，可以方便地實(shí)現(xiàn)自動化測試應(yīng)用的性能改進(jìn)，因?yàn)槟梢允褂肔abVIEW動態(tài)地分配每一個線程。事實(shí)上，您不需要創(chuàng)建特殊的代碼以支持多線程，而是通過最少的編程調(diào)整，利用多核處理器來達(dá)到并行測試。

配置定制的并行測試算法

并行信號處理算法幫助LabVIEW在多個處理器核中劃分處理器的用途。圖5按順序描述了CPU處理算法每一部分。

圖5. LabVIEW能夠并行處理許多采集數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了執(zhí)行時間。

并行處理要求LabVIEW拷貝(或克隆)每個信號處理子例程。缺省情況下，LabVIEW的許多信號處理算法配置為“可重入執(zhí)行”。這就意味著LabVIEW將動態(tài)分配給每個子例程唯一的實(shí)例，包括獨(dú)立線程和存儲空間。因而，您必須將定制的子例程的配置，工作于可重入方式。您可以通過LabVIEW中一個簡單的配置步驟完成這一工作。欲設(shè)置這一屬性，選擇文件菜單下VI屬性并選中“執(zhí)行”欄;然后，選中“可重入執(zhí)行”標(biāo)記(如圖6所示)。