LabVIEW、多核技術及FPGA技術如何改變儀器技術及自動測試

　　問題：在最近這幾年里，儀器技術和自動化測試領域發(fā)生了什么樣的變化?

　　Starkloff回答：我們現(xiàn)在正將處于軟件定義的世界里。我們每天使用的設備如智能手機，機頂盒，甚至汽車，這些都是建立在嵌入式軟件系統(tǒng)發(fā)展的基礎之上。對于測試工程師們來說，在開發(fā)時間和預算減少的情況下對這些復雜的設備進行測試給他們帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，測試管理人員和工程師們利用模塊化儀器，軟件定義體系來應對這些挑戰(zhàn)和趨勢。

　　用戶定義儀器或測試系統(tǒng)的概念已經(jīng)不新了。實際上，用戶定義儀器已經(jīng)以虛擬儀器的形式存在了20多年的時間。推動這些趨勢進一步發(fā)展的技術，已經(jīng)發(fā)展成熟。正是這些技術可以將這種新式的軟件定義的模式推向頂峰。參考Web2.0，軟件定義的儀器技術和之前儀器技術的差異可以稱之為儀器技術2.0了。推動這樣的變化的關鍵技術包括高速 PCI總線，多核處理器技術和FPGA技術。

　　問題：多核處理能夠為工程師創(chuàng)建測試系統(tǒng)提供什么樣的好處呢?

　　Starkloff回答：處理器的制造商已經(jīng)提出了將多個CPU集成到一個芯片上的多核處理器，這種多核處理器技術如今已經(jīng)成基于PC機的應用程序提高執(zhí)行性能的關鍵技術。超線程作為改善多線程代碼的支持之一也被提出了，超線程也為更高效的利用CPU資源提供了可能。上述這兩種技術的結合就會使工程師們開發(fā)高密度的處理和高吞吐量的應用程序稱為可能，而這兩種應用程序在并行的方式下執(zhí)行時性能會得到提升。

　　由于多核處理能的執(zhí)行性能直接取決于一個應用程序的源代碼按照什么樣的并行方式進行書寫，所以，對于希望利用多核處理器進行開發(fā)的工程師們來說，軟件開發(fā)就是他們所面臨的一項挑戰(zhàn)。雙核和多核處理器為軟件開發(fā)世界帶來了很大的沖擊，而這種沖擊自十多年前面向?qū)ο蟮木幊谭绞疆a(chǎn)生時就已經(jīng)開始了。對于軟件開發(fā)者們來說，這種沖擊就像Herb Sutter(一名很有名的C++專家)寫到的“免費的午餐時代已經(jīng)結束!”。傳統(tǒng)的順序編程方法已經(jīng)不再適用了，所以，軟件開發(fā)者們需要新的編程模式，比如LabVIEW的圖形化并行編程，來充分發(fā)揮并行硬件體系的潛在的性能。

　　問題：是什么使LabVIEW處于multicore-ready軟件層的上層?

　　Starkloff回答：工程師如果要在控制應用程序中尋找更快的測試方法或更好的循環(huán)頻率，那么他們就需要考慮他們要如何執(zhí)行并行應用程序以及如何利用多核處理器所帶來的性能的提高。采用LabVIEW，工程師們就會有一個理想的軟件環(huán)境來進行并行程序的編寫，這都是因為LabVIEW是以數(shù)據(jù)流為基礎的編程語言，以及由LabVIEW實時標準模塊和向下滲透的多核支持的軟件堆。LabVIEW8.5在1998年推出的LabVIEW5.0的基礎上又增加了許多增強多線程性能的功能。

　　利用LabVIEW進行應用程序開發(fā)的時候，最大的優(yōu)點就是LabVIEW是一種直觀的，圖形化的編程語言。LabVIEW的數(shù)據(jù)流的本質(zhì)就意味著任何時候在框圖上都會存在一個分支或者是并行順序，潛在的LabVIEW的編譯器試圖創(chuàng)建一個用于并行執(zhí)行代碼的線程。LabVIEW的這種圖形化的語言本身就考慮著某種并行化的程度。LabVIEW8.5擴展了能夠在桌面系統(tǒng)中應用的自動多線程功能，這樣就可以在SMP的支持下在多核實時硬件上開發(fā)實時系統(tǒng)。

　　問題：如果將多核并行處理和像PCI Express這樣的總線結合起來的話，將會對測試系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的影響呢?

　　Starkloff回答：工程師經(jīng)常會有一些特殊的測試需求，如執(zhí)行高性能測量任務、信號處理和定制的信號分析。PCI Express使其成為可能。這種建立在PCI Express總線技術上的解決方案代替固定的，由賣方定義的解決方案。PC總線的帶寬和潛在的規(guī)范自15年前開始，快速發(fā)展至今。從 ISA到 PCI再到現(xiàn)在的PCI Express，在使用儀器和處理器之間建立了一條快速的、專門的通道。這就使工程師們能夠?qū)⑺麄兊脑嫉臏y試數(shù)據(jù)重新裝載到主PC處理器里進行實時處理和測試分析了。結合并行編程和多核處理器，工程師們還可以在他們的測試系統(tǒng)中增強系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)處理通道的數(shù)量。如果將PCI Express、LabVIEW8.5和多核處理器結合起來的話，不僅可以增加測試的吞吐量，而且還可以將虛擬儀器的應用擴展到新的應用領域中。比如，高速數(shù)字測試，中頻數(shù)據(jù)流，多通道數(shù)據(jù)采集，以及全速圖像采集等。利用這些現(xiàn)成的計算機技術，工程師們可以對包括大且貴的賣方定義和其他解決方案進行選擇。比如，Eaton公司，這樣一個工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)商，通過將基于 LabVIEW的系統(tǒng)移植到一個四核心的系統(tǒng)后，成功地使他們的測試系統(tǒng)的運行通道數(shù)量增加了4倍。

　　問題：儀器控制總線，比如GPIB，以太網(wǎng)和USB的發(fā)展前景如何?

　　回答： GPIB，以太網(wǎng)和 USB都是基于計算機的儀器控制的可選方法。GPIB在一起控制中仍然是最常用到的總線，這主要是因為它已經(jīng)被世人所證明的性能，良好的連通性以及大量的儀器和控制器的配置基礎。USB越來越被那些便攜式的，快速建立的臺式應用所青睞，而以太網(wǎng)則被那些不要求準確的系統(tǒng)時間和同步的高分布式的儀器系統(tǒng)所青睞。

　　每種儀器控制總線都會依據(jù)你的應用類型以及你的儀器上可利用的功能來發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢。在決定一個應用中要采用哪種總線比較理想之前，充分了解每種總線的相關技術，易用性和交易等是至關重要的。美國國家儀器在它的網(wǎng)站ni.com上，提供了能夠幫助培養(yǎng)工程師們了解這些交易的詳細信息。工程師們同樣需要考慮到一種混合式的總線方式，這種總線方式包括了大量的儀器控制總線的選項，從而工程師們可以就可以最大限度發(fā)揮系統(tǒng)的執(zhí)行性能和靈活性，并且對系統(tǒng)進行在利用。一個基于計算機的儀器平臺，比如，PXI，被推薦運用到一個混合式測試的系統(tǒng)中來。通過抑制可能發(fā)生的低帶寬，高潛在的總線比如以太網(wǎng)的總線瓶頸問題，可以全面的最大化系統(tǒng)的執(zhí)行性能。

　　問題：您認為在未來的幾年里，使用儀器和自動測試會有怎樣的變化呢?

　　Starkloff回答：在這個領域中，一個最被看好的技術就是FPGA。使用FPGA，工程師們可以在設備上定義硬件系統(tǒng)的行為，進行在線處理或分散處理。 FPGA由于它內(nèi)在的并行可靠地執(zhí)行，同樣可以使FPGA有了更快的執(zhí)行速度。LabVIEW的圖形數(shù)據(jù)流的并行的本質(zhì)，非常適用于多核應用，這種本質(zhì)同樣對于FPGA技術的優(yōu)勢發(fā)揮也很理想。

　　當FPGA應用到獨立的儀器中時，工程師們就不能對這些儀器進行在編程，這對自動測試來說是很關鍵的一個要求。當然，在一個主雙核的處理器上進行不同的處理有很多好處。比如，F(xiàn)PGA非常適用于在點對點的I/O上進行像簡單的采樣這樣的在線分析。但是，在一個主處理器上進行復雜的調(diào)制就會得到更好的結果。這是因為復雜的調(diào)制過程需要大量的浮點運算。另外，盡管FPGA在進行自動測試的時候具有編譯功能和靈活性，但是，這些功能都是需要通過采用硬件描述語言，如 Verilog或 VHDL等來進行描述，這些語言都是用低級的語法來描述硬件行為的。而大部分測試工程師都不是很精通這些工具。

　　將FPGA的編程細節(jié)用系統(tǒng)水平的工具來抽象就會跨過這個不足。比如，LabVIEW FPGA，可以直接利用一個LabVIEW程序來實現(xiàn)便攜式的FPGA以及綜合必要的硬件。開發(fā)一個分散型的處理系統(tǒng)最理想的方法就是專門的開發(fā)環(huán)境，比如LabVIEW這種環(huán)境可以在主處理器或FPGA中選擇一個較好的執(zhí)行性能將處理過程進行快速的分割。

　　問題：圖形化系統(tǒng)設計對測試來說意味著什么?

　　Starkloff回答：這些年來，美國國家儀器一直在傳播虛擬儀器，一個可以對工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生革命性意義的概念。工程師們可以利用虛擬儀器創(chuàng)建能夠滿足特定需求的用戶自定義的系統(tǒng)。圖形化系統(tǒng)設計推動虛擬儀器向著更遠的方向發(fā)展，它也為工程師們帶來了利用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境和標準FPGA硬件在單獨的一個平臺上開發(fā)他們常用的I/O，信號處理和分析算法的機會。這種方法可以幫助工程師在他們的系統(tǒng)中快速開發(fā)常用的測量功能，并且是他們能夠盡快的成為儀器設計師。