利用多核PC技術(shù)進(jìn)行圖形編程

　在PC行業(yè)，多核處理正在引起相當(dāng)大的反響，很大程度上是因?yàn)镮ntel和 AMD兩家公司都各自發(fā)布了其首款多核處理器。這些首款多核處理器都是在一個(gè)物理處理器中包含有兩個(gè)核，或者計(jì)算引擎，因此命名為雙核處理器。具有兩個(gè)以上核的處理器也即將面市。

　　多核與多處理器

　　多處理器系統(tǒng)多年前已經(jīng)出現(xiàn)，它與多核系統(tǒng)的主要區(qū)別是多核系統(tǒng)只有一個(gè)物理處理器，這個(gè)物理處理器包含兩個(gè)或更多個(gè)核，而多處理器系統(tǒng)有兩個(gè)或更多個(gè)物理處理器。多核系統(tǒng)也共享計(jì)算資源，在多處理器系統(tǒng)中這些資源常常是被復(fù)制的，如L2高速緩存和前端總線。多核系統(tǒng)與多處理器系統(tǒng)性能相似，但成本常常要低得多，原因是多核處理器比多個(gè)相同的單個(gè)處理器價(jià)格要低，也不需要支持多個(gè)處理器的母板，如多處理器插頭。

　　多任務(wù)

　　像多處理器系統(tǒng)一樣，多核系統(tǒng)能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)計(jì)算任務(wù)。這一點(diǎn)在如Windows XP多任務(wù)操作系統(tǒng)(OS)中很有利，此時(shí)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序。多任務(wù)指OS在兩個(gè)任務(wù)間快速切換的能力，表面上看，這些任務(wù)同時(shí)執(zhí)行。當(dāng)運(yùn)行在多核系統(tǒng)上時(shí)，多任務(wù)OS能真正同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，而不只是表面上看起來是。例如，在雙核系統(tǒng)上，兩個(gè)應(yīng)用——如National Instruments LabVIEW 和Microsoft Excel，各自都能同時(shí)訪問一個(gè)獨(dú)立的處理器核，因此，提高了如進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的應(yīng)用程序的整體性能。

　　圖1:雙核系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作系統(tǒng)，如Windows XP，真正同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)。

　　多線程

　　多線程將多任務(wù)思想延伸到應(yīng)用程序，所以可以將一個(gè)單獨(dú)應(yīng)用程序內(nèi)的具體操作分成具體線程，各線程都能并行運(yùn)行。這樣，OS就不僅能在不同應(yīng)用程序間，也可在一個(gè)應(yīng)用程序的每個(gè)線程間劃分處理時(shí)間。在多線程N(yùn)I LabVIEW程序中，例如一個(gè)應(yīng)用程序可分為3個(gè)線程：1個(gè)用戶接口線程、1個(gè)數(shù)據(jù)采集線程和1個(gè)分析線程?？梢越o這些線程分配優(yōu)先權(quán)，各自獨(dú)立運(yùn)行。因此，在多線程應(yīng)用程序中，多任務(wù)能與正在其他系統(tǒng)上運(yùn)行的其他應(yīng)用程序一起并行進(jìn)行。

　　采用多線程的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)很多，包括CPU使用效率更高，系統(tǒng)可靠性更高，多核系統(tǒng)的性能得到提高。

　　更高效地使用CPU

　　在很多應(yīng)用程序中，資源可以同時(shí)調(diào)用，如在儀器中。完成這種調(diào)用常常需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。在單線程應(yīng)用中，同步調(diào)用有效阻止或防止了應(yīng)用程序內(nèi)的任何其他任務(wù)的執(zhí)行，直到該調(diào)用完成。多線程避免了這種情況的發(fā)生。當(dāng)一個(gè)線程出現(xiàn)同步調(diào)用時(shí)，其他不依賴此調(diào)用的程序部分在其他線程下運(yùn)行。應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行，而不是等到此同步調(diào)用完成后再繼續(xù)執(zhí)行。這樣，如果應(yīng)用程序的任何一個(gè)線程準(zhǔn)備運(yùn)行，則CPU都可運(yùn)行該線程，所以，多線程應(yīng)用最大程度提高了CPU效率。

　　系統(tǒng)可靠性更高

　　通過將應(yīng)用程序分成不同的執(zhí)行線程，可以避免次要操作影響最重要操作的執(zhí)行。最常見的例子是用戶接口可能對(duì)時(shí)間更關(guān)鍵的操作的影響。屏幕更新或響應(yīng)用戶事件經(jīng)常會(huì)降低應(yīng)用程序的執(zhí)行速度。給用戶接口線程賦予的優(yōu)先權(quán)比其他對(duì)時(shí)間要求更關(guān)鍵的操作事件的優(yōu)先權(quán)要低些，就能保證用戶接口操作不會(huì)阻止CPU執(zhí)行更重要的操作，如采集數(shù)據(jù)或過程控制。

　　提高多核系統(tǒng)的性能

　　多線程最誘人的優(yōu)點(diǎn)之一是可以利用多核系統(tǒng)完備的計(jì)算能力。在幾個(gè)線程都同時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)行的多線程應(yīng)用程序中，每個(gè)核可以運(yùn)行不同的線程，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了真正的并行任務(wù)執(zhí)行。這樣不僅增強(qiáng)了前面討論的CPU使用效率更高和系統(tǒng)可靠性更高這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且使性能得到徹底提高。

　　圖形編程的優(yōu)點(diǎn)

　　根據(jù)定義，虛擬儀器有助于利用PC業(yè)的每一個(gè)創(chuàng)新。多核處理也一樣。開發(fā)能充分利用多核處理器計(jì)算能力的軟件時(shí)，就需要本質(zhì)上具備并行性的開發(fā)工具。由于其順序特征，如C 和C++這種基于文本的編程語言就要求調(diào)用函數(shù)，有計(jì)劃地產(chǎn)生和管理線程。同時(shí)，由于文本語言的順序的、一行接一行的特點(diǎn)，如何使不同代碼部分的并行運(yùn)行可視化常常很困難。

　　相比之下，像LabVIEW一類的圖形編程環(huán)境可方便地表示并行過程，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)流本來就是并行的。在圖形環(huán)境下并行代碼的執(zhí)行進(jìn)行可視化更容易，在這種環(huán)境下，圖形代碼的兩個(gè)并行執(zhí)行路徑并行放置。LabVIEW代碼也天生就是多線程。LabVIEW能識(shí)別程序中的多線程機(jī)會(huì)，由執(zhí)行系統(tǒng)處理多線程實(shí)現(xiàn)和通信。例如，兩個(gè)沒有任何依賴關(guān)系而運(yùn)行的獨(dú)立環(huán)在各自的線程內(nèi)自動(dòng)執(zhí)行。當(dāng)在多核系統(tǒng)中執(zhí)行LabVIEW代碼時(shí)，多線程在多個(gè)處理器核上運(yùn)行，而不需用戶進(jìn)行任何干預(yù)。

　　圖2: LabVIEW中圖形編程的并行特點(diǎn)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多線程，這些多線程在多核處理器上運(yùn)行，而不需用戶進(jìn)行任何干預(yù)。