虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)展及如何提升并行處理能力

日新月異的科技發(fā)展與日趨激烈的市場競爭給工程師們帶來了持續(xù)的壓力和挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是協(xié)議的多樣化，比如在通訊行業(yè)中，比起十年前，目前的通訊協(xié)議幾乎數(shù)不清(見圖1)，而且沒有一個(gè)明顯的主導(dǎo)協(xié)議，因此最終產(chǎn)品就需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)協(xié)議。

產(chǎn)品功能的日趨集成化也是挑戰(zhàn)之一，拿新上市的iPhone為例(見圖2)，它匯聚了多種功能，不僅用來通話，也可以用作MP3、PDA、數(shù)字相機(jī)等等，并且為了保持市場的競爭力，新的功能會(huì)被不斷地加入。

圖1:通訊行業(yè)并存著多樣的協(xié)議

圖2：產(chǎn)品功能日趨集成化

顯然，如果要跟上這樣的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的覆蓋測試，功能固定的傳統(tǒng)測試方法已無法滿足靈活性的要求；傳統(tǒng)方式是一套測試儀器針對(duì)一個(gè)協(xié)議，不同功能采用不同的儀器，這在今天是根本無法接受的。

基于這些挑戰(zhàn)，測試儀器也正在經(jīng)歷一個(gè)基本原則的變更——從功能固定的分立儀器向著靈活的基于軟件的模塊化儀器架構(gòu)轉(zhuǎn)變，這正是NI在20多年前提出的“虛擬儀器技術(shù)”的概念。利用虛擬儀器技術(shù)的特性，可以有效地解決上述的挑戰(zhàn)：基于軟件的自定義功能使得工程師們可以針對(duì)不同的協(xié)議開發(fā)對(duì)應(yīng)的測試程序；而模塊化的儀器架構(gòu)則可以根據(jù)不同的功能測試選用不同的模塊硬件，在同一個(gè)測試平臺(tái)上靈活地實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的集成。

虛擬儀器技術(shù)目前已經(jīng)被應(yīng)用在測試測量和自動(dòng)化的各大領(lǐng)域，協(xié)助越來越多的工程師來創(chuàng)建高性能、高擴(kuò)展性的測試系統(tǒng)。與此同時(shí)，虛擬儀器技術(shù)本身也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，縱觀其20多年來的發(fā)展歷程，可以看到，由于虛擬儀器技術(shù)是建立在商用技術(shù)的基礎(chǔ)之上，因此它能夠?qū)⑿屡d發(fā)展的科學(xué)技術(shù)都融合進(jìn)來，使工程師能以最迅速和便捷的方式來享用，從而創(chuàng)建更高性能的測試系統(tǒng)。PC處理器技術(shù)的發(fā)展就是一個(gè)很好的例子：在1990年，用當(dāng)時(shí)的PC(Intel 386/16)處理65000個(gè)點(diǎn)的FFT需要1100秒時(shí)間，而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒。

這些蓬勃發(fā)展著的新興技術(shù)也是動(dòng)虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)力，例如PCI Express總線技術(shù)可以讓更多的原始數(shù)據(jù)以更高的速度傳送給PC；而多核技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)真正的并行運(yùn)算，從而直線提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性能；可編程邏輯門陣列(FPGA)技術(shù)則允許工程師根據(jù)不同的測試要求通過軟件重新定制硬件的功能。因此，可以預(yù)見的是，這些主流的商用技術(shù)將讓虛擬儀器技術(shù)向許多之前只能用昂貴的專用設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域敞開了大門。另外，縱觀目前主流的商用技術(shù)，可以很明顯地看到，其發(fā)展的趨勢是通過并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更高的性能。下面是幾種新興技術(shù)實(shí)例：

PCI Express總線技術(shù)

傳統(tǒng)儀器由于將數(shù)據(jù)處理和分析的過程放在了儀器硬件內(nèi)部，因此它只能返回一個(gè)結(jié)果值，這種方式雖然方便，但是卻無法滿足之前已經(jīng)敘述過的靈活性的要求。因此，一個(gè)更好的測試方式就是直接得到原始數(shù)據(jù)，再使用專業(yè)的分析工具來分析數(shù)據(jù)，這種方式可以允許工程師們對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的分析，從而不再需要做多次測試來獲得不同的分析結(jié)果，節(jié)省了時(shí)間和成本。

然而，隨著采樣率的不斷提高和通道數(shù)的增多，現(xiàn)有的總線帶寬能否進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取，這是實(shí)現(xiàn)很多新興測試應(yīng)用之前就需要解決的問題。

現(xiàn)有的PCI總線的數(shù)據(jù)傳達(dá)吞吐率可以高達(dá)132兆/秒，這個(gè)相比其他總線已經(jīng)屬于相當(dāng)高了，并且還具有最低的延時(shí)(圖3)。然而它是一個(gè)共享資源的總線，也就是說，當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)在總線上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)設(shè)備可享受的帶寬會(huì)成比例地降低。隨著I/O速度和應(yīng)用要求的提高，這樣的架構(gòu)成為了瓶頸。而新一代的PCI Express技術(shù)，它運(yùn)用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)總線的拓?fù)浼軜?gòu)，使每個(gè)儀器可以通過獨(dú)立的通道向處理器傳輸數(shù)據(jù)，明顯地改善了傳輸數(shù)據(jù)的帶寬，對(duì)內(nèi)存的需求最少，并加快了數(shù)據(jù)流的傳輸(圖4)。

圖3：總線帶寬與延時(shí)比較

圖4：PCI與PCI Express總線對(duì)比

眾所周知，在通信背板上添加的PCI總線是推動(dòng)PXI得到快速應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。現(xiàn)在，隨著商用的PC技術(shù)從PCI總線發(fā)展到PCI Express，PXI也已經(jīng)將PCI Express結(jié)合到PXI標(biāo)準(zhǔn)中，即PXI Express(圖5)。PXI Express不僅保留了PXI的定時(shí)和同步等特性，還加入了很多新的同步特性，甚至還提供了微分系統(tǒng)時(shí)鐘，微分信號(hào)以及微分星觸發(fā)等。

圖5：PXI Express機(jī)箱

重要的是，PXI Express標(biāo)準(zhǔn)還提供了向后的軟件兼容性，這樣工程師們就可以充分利用他們?cè)谝延熊浖到y(tǒng)中所開發(fā)的成果。此外，NI提供的PXI Express混合插槽可以同時(shí)支持PXI和PXI Express兩種總線形式的模塊，從而更好地保留了過去的投資。

總言之，PCI Express技術(shù)的誕生使得虛擬儀器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)吞吐率有高要求的應(yīng)用，例如汽車碰撞測試的高速圖像采集或高速數(shù)字I/O應(yīng)用等等。

圖6：處理器速度的發(fā)展趨勢

多核處理器技術(shù)

PCI Express技術(shù)提高了總線帶寬和數(shù)據(jù)吞吐率，使得工程師可以獲得原始數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)的分析工具拿到可靠的測試結(jié)果。不過近年的數(shù)據(jù)量快速增長，導(dǎo)致對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析成為擺在工程師們面前的又一個(gè)問題。

多核處理器技術(shù)能夠提高傳統(tǒng)的測試算法的運(yùn)行速度，Intel已經(jīng)許諾了在2011年會(huì)推出80個(gè)芯核的CPU。但是不同于以往的單核，為了實(shí)現(xiàn)性能的提高，開發(fā)人員需要在應(yīng)用軟件里配置線程。從圖7中可以看到，即使是在四核的處理器上，如果其應(yīng)用只是單線程的話，操作系統(tǒng)仍舊會(huì)將所有的任務(wù)分配到其中的一個(gè)核上運(yùn)行。可見，為了實(shí)現(xiàn)在多核處理器上程序性能的提升，就必須將你的應(yīng)用程序分成多個(gè)線程，再由OS協(xié)調(diào)分配在不同的核上運(yùn)行，這樣才能最大限度的利用多核處理器并行的優(yōu)勢來提升性能。

圖7：使用多線程編程才能最大限度地利用多核處理器的性能

然而，這對(duì)于許多習(xí)慣于開發(fā)單線程應(yīng)用的開發(fā)者來說都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。如果工程師使用的是基于文本的編程語言，如C語言，那么在進(jìn)行多線程應(yīng)用軟件的編寫時(shí)，需要專門的語義創(chuàng)建和管理線程，并且在線程安全方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

而NI LabVIEW，就非常適合于創(chuàng)建并行的多線程應(yīng)用。首先，相比文本編程語言的至上而下的順序結(jié)構(gòu)，LabVIEW本身就是一種并行的編程結(jié)構(gòu)；其次，早在LabVIEW 5.0時(shí)LabVIEW就已經(jīng)支持多線程，在LabVIEW程序編寫完畢后，LabVIEW編譯器可以自動(dòng)地識(shí)別線程并創(chuàng)建線程到不同的任務(wù)和循環(huán)上，再由OS分配到不同的核上運(yùn)行(圖8)。而最新的LabVIEW 8.5更針對(duì)多核技術(shù)進(jìn)行了全面的支持；此外，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，用戶還可以自己分配特定的線程在特定的核上運(yùn)行，如圖9所示。

圖8：使用LabVIEW方便實(shí)現(xiàn)多線程編程

圖9：LabVIEW 8.5允許用戶手動(dòng)分配線程在指定的核上運(yùn)行

而且，隨著更多的核的運(yùn)用，LabVIEW可以自動(dòng)創(chuàng)建更多的線程來自動(dòng)提升程序的性能。簡單來說，就是當(dāng)你把測試系統(tǒng)的控制器升級(jí)為更多核的處理器時(shí)，不需要對(duì)程序做任何修改，測試系統(tǒng)就能自動(dòng)達(dá)到更高的處理性能。

因此說，多核處理器使用了并行拓?fù)浼軜?gòu)可以提高處理能力，但利用真正的多線程編程語言，如LabVIEW，才可以輕松實(shí)現(xiàn)運(yùn)算性能的真正提高。

FPGA技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)最初的一個(gè)重要特性就是可以使用軟件來定制硬件的功能。隨著LabVIEW作為并行化的編程語言的地位逐漸穩(wěn)固，它的應(yīng)用也得到了不斷的擴(kuò)展，并對(duì)強(qiáng)大的并行硬件技術(shù)FPGA提供了強(qiáng)有力的支持。

通常來說，F(xiàn)PGA的軟件開發(fā)平臺(tái)是使用VHDL語言來實(shí)現(xiàn)，但是這種語言需要很長的學(xué)習(xí)時(shí)間，并且也需要深厚的硬件技術(shù)背景，因此只有少數(shù)的一些專業(yè)人員掌握。隨著可編程硬件的需求日益增長，F(xiàn)PGA已成為一種主流的技術(shù)，這種趨勢需要能夠有方法降低FPGA編程的門檻，從而將FPGA技術(shù)帶給更多的工程師。

LabVIEW的并行化的編程方式以及圖形化的編程環(huán)境可以允許工程師們能以直觀的方式來實(shí)現(xiàn)FPGA的邏輯功能。例如，使用LabVIEW，在FPGA中實(shí)現(xiàn)圖10所示的邏輯功能就變得相對(duì)簡單。

圖10：使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)FPGA邏輯功能

當(dāng)然，如果要搭建一個(gè)完整的測控平臺(tái)，還需要有很多不同的IO模塊來選擇。NI提供給工程師們完整的基于FPGA的商用型平臺(tái)以供選擇，讓工程師們能夠利用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高性能的測試應(yīng)用。

結(jié)論

目前，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)根植于許多領(lǐng)域。PCI Express總線的高帶寬將虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更多新興的應(yīng)用，從而使工程師們能夠在享受高通道、高采樣率的好處的同時(shí)，又可根據(jù)自身需要靈活定制相關(guān)功能；利用真正的多線程編程語言，如LabVIEW，可以輕松實(shí)現(xiàn)多核并行運(yùn)算性能的真正提高；隨著LabVIEW并行化的編程語言的快速發(fā)展，工程師們可以靈活地根據(jù)待測單元、軟件或者是測試需求的變化來對(duì)硬件進(jìn)行重新配置，從而對(duì)FPGA提供了強(qiáng)有力的支持。

摘自：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)