利用NI LabVIEW的并行化技术来提高测试的吞吐量

　　概览

　　二十世纪一位很有影响力的建筑设计师Frank Floyd Wright曾经说过："每个伟大的建筑设计师都是他所处时代的伟大解读者 。"这句话同样适用于测试系统设计师们。在他们设计、开发和实现系统的时候，他们必须理解不断进步的技术，如多核处理器、现场可编程门阵列(FPGA)和高速数据总线，如PCI Express等等。通过将这些技术与NI LabVIEW并行化编程软件及NI TestStand编程管理软件结合在一起，测试工程师们可以创建出高性能的测试系统，用于并行化处理、并行化测量，甚至于在生产阶段进行完全并行化的测试。借助于基于PC机的并行化技术，用户可以将测试速度提高到传统仪器的10倍以上。

　　并行化处理

　　在传统CPU设计中，CPU性能会受限于实际的困难，如高速时钟速率带来的散热问题等。为了确保PC机平台可以满足不断增长的处理需求，芯片制造商们正在开发具有多个处理核心的新型处理器。在自动化测试应用中，为了充分发挥多核技术在性能和吞吐量上的优势，必须针对多个处理核心编写软件应用程序，即创建出在多个处理核心上分别执行的多个线程。

　　　　　　　　　　图1.LabVIEW编译器在不需要用户配置的情况下，即可为并行代码段创建独立的执行线程

　　利用基于文本的编程语言(如ANSI C等)编写多线程应用程序，对于多数设计和测试工程师而言，都不是一件很容易的事情，它需要精通创建和管理线程，并且懂得以线程安全的方式在线程间传递数据。利用LabVIEW图形化编程环境，工程师们可以充分发挥出多核处理的计算性能。如图1所示，在LabVIEW中，两个没有数据依赖关系的循环会自动在独立的线程中执行，而开发者不需要考虑线程管理等细节内容。如果需要了解如何利用多核处理器的应用案例，请阅读名为《使用多核处理器和NI LabVIEW来最优化自动测试应用》的白皮书。

　　对于特殊的数据操作和信号处理而言，为这些任务分配专用的处理单元是十分必要的。多核控制器可以很好地满足这种需求，然而对于最终的并行处理而言，它的性能很难超过FPGA。FPGA为自动化测试系统提供了无与伦比的性能和可靠性，是目前并行化编程计算硬件中的佼佼者。LabVIEW FPGA Module软件使用LabVIEW嵌入式技术对LabVIEW图形化开发进行了扩展，并且针对NI可配置I/O(RIO)硬件上的FPGA芯片。LabVIEW有着清晰的并行化和数据流表示方法，因而非常适合对FPGA进行编程。借助于LabVIEW FPGA Module软件，用户可以创建出自定义的测量和控制硬件，而无需了解低级别的硬件描述语言或板级设计。用户可以借助于个性化的并行化硬件来进行实现特殊的定时和触发例程、超高速控制、与数字协议进行接口、数字信号处理(DSP)和其它许多需要高速的硬件可靠性和确定性的应用。

　　使用FPGA，用户可以实现协同处理的应用(如图2所示)。例如，使用具有新型定点计算能力的LabVIEW FPGA以及ni.com/ipnet上提供的快速傅里叶变换(FFT)，用户可以在NI PXI-7852 R系列模块上的Virtex-5 LX50 FPGA中摆放40个并行化的FFT操作。随着PXI Express的专用带宽(高达1GB/秒/方向)和点对点流盘技术的出现，这种能力的价值正在不断提升。

　　　　　图2.LabVIEW FPGA的定点计算能力可以使PXI FPGA上包含FFT在内的协处理应用的性能得到提高

　　并行化测量

　　并行化测量要求测试系统中所有的子部件都支持并行化的模型，而不只是处理器。其中包含了数据的采集和传输。

　　　　　　　　图3.PCI Express实现了专用带宽而非共享式数据传输，进而显著提高采集和传输到硬盘的数据数量

　　现在，模块仪器中最常用的数据传输总线包括PCI、USB、以太网和GPIB，但是它们都不支持真正的并行化数据传输模型，因为总线上的设备共享总线的带宽。如果I/O设备采集或生成的累计速率比总线可用的速率高，那么将造成数据的丢失。解决这个问题的通常办法是顺序化地进行测量，并且在I/O设备上集成大容量的板上存储器作为缓冲区，这样在等待通信总线可用的过程中，数据就不会丢失了。

　　相反，PCI Express是最新的高性能数据传输总线，它为每个设备提供了专用的带宽，而且提供的吞吐量比上面提到的其它商业化通信总线都要大。可用的PCI Express总线有x1、x4、x8和x16(发音为"乘1"，"乘4"等等)通道几种，其中每条通道的有用吞吐量为250MB/s。x1和x4选项是仪器类硬件中最为常见的，分别实现了250MB/s和1GB/s(4条250MB/s的通道)的专用带宽。

　　通过在背板中使用PCI Express技术，可将PXI可用的带宽从132MB/s提高到6GB/s，在带宽方面的提高达到了45倍多，同时保持了与PXI模块在软件和硬件上的兼容性。PXI Express技术与PXI平台完全整合在一起，为PXI用户提供了每个插槽1GB/秒/方向的专用带宽，以及工业上最高性能的时序和同步功能。