虚拟仪器技术的进展及如何提升并行处理能力

日新月异的科技发展与日趋激烈的市场竞争给工程师们带来了持续的压力和挑战。其中一个挑战就是协议的多样化，比如在通讯行业中，比起十年前，目前的通讯协议几乎数不清(见图1)，而且没有一个明显的主导协议，因此最终产品就需要同时实现多个协议。

产品功能的日趋集成化也是挑战之一，拿新上市的iPhone为例(见图2)，它汇聚了多种功能，不仅用来通话，也可以用作MP3、PDA、数字相机等等，并且为了保持市场的竞争力，新的功能会被不断地加入。

图1:通讯行业并存着多样的协议

图2：产品功能日趋集成化

显然，如果要跟上这样的发展，实现产品的覆盖测试，功能固定的传统测试方法已无法满足灵活性的要求；传统方式是一套测试仪器针对一个协议，不同功能采用不同的仪器，这在今天是根本无法接受的。

基于这些挑战，测试仪器也正在经历一个基本原则的变更——从功能固定的分立仪器向着灵活的基于软件的模块化仪器架构转变，这正是NI在20多年前提出的“虚拟仪器技术”的概念。利用虚拟仪器技术的特性，可以有效地解决上述的挑战：基于软件的自定义功能使得工程师们可以针对不同的协议开发对应的测试程序；而模块化的仪器架构则可以根据不同的功能测试选用不同的模块硬件，在同一个测试平台上灵活地实现测试系统的集成。

虚拟仪器技术目前已经被应用在测试测量和自动化的各大领域，协助越来越多的工程师来创建高性能、高扩展性的测试系统。与此同时，虚拟仪器技术本身也在不断发展和创新，纵观其20多年来的发展历程，可以看到，由于虚拟仪器技术是建立在商用技术的基础之上，因此它能够将新兴发展的科学技术都融合进来，使工程师能以最迅速和便捷的方式来享用，从而创建更高性能的测试系统。PC处理器技术的发展就是一个很好的例子：在1990年，用当时的PC(Intel 386/16)处理65000个点的FFT需要1100秒时间，而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8秒。

这些蓬勃发展着的新兴技术也是动虚拟仪器技术发展的新动力，例如PCI Express总线技术可以让更多的原始数据以更高的速度传送给PC；而多核技术则可以实现真正的并行运算，从而直线提升系统的数据处理性能；可编程逻辑门阵列(FPGA)技术则允许工程师根据不同的测试要求通过软件重新定制硬件的功能。因此，可以预见的是，这些主流的商用技术将让虚拟仪器技术向许多之前只能用昂贵的专用设备的应用领域敞开了大门。另外，纵观目前主流的商用技术，可以很明显地看到，其发展的趋势是通过并行拓扑结构来实现更高的性能。下面是几种新兴技术实例：

PCI Express总线技术

传统仪器由于将数据处理和分析的过程放在了仪器硬件内部，因此它只能返回一个结果值，这种方式虽然方便，但是却无法满足之前已经叙述过的灵活性的要求。因此，一个更好的测试方式就是直接得到原始数据，再使用专业的分析工具来分析数据，这种方式可以允许工程师们对原始数据进行多次的分析，从而不再需要做多次测试来获得不同的分析结果，节省了时间和成本。

然而，随着采样率的不断提高和通道数的增多，现有的总线带宽能否进行原始数据的实时读取，这是实现很多新兴测试应用之前就需要解决的问题。

现有的PCI总线的数据传达吞吐率可以高达132兆/秒，这个相比其他总线已经属于相当高了，并且还具有最低的延时(图3)。然而它是一个共享资源的总线，也就是说，当多个设备同时在总线上传输数据时，每个设备可享受的带宽会成比例地降低。随着I/O速度和应用要求的提高，这样的架构成为了瓶颈。而新一代的PCI Express技术，它运用了点对点总线的拓扑架构，使每个仪器可以通过独立的通道向处理器传输数据，明显地改善了传输数据的带宽，对内存的需求最少，并加快了数据流的传输(图4)。

图3：总线带宽与延时比较

图4：PCI与PCI Express总线对比

众所周知，在通信背板上添加的PCI总线是推动PXI得到快速应用的一个关键因素。现在，随着商用的PC技术从PCI总线发展到PCI Express，PXI也已经将PCI Express结合到PXI标准中，即PXI Express(图5)。PXI Express不仅保留了PXI的定时和同步等特性，还加入了很多新的同步特性，甚至还提供了微分系统时钟，微分信号以及微分星触发等。

图5：PXI Express机箱

重要的是，PXI Express标准还提供了向后的软件兼容性，这样工程师们就可以充分利用他们在已有软件系统中所开发的成果。此外，NI提供的PXI Express混合插槽可以同时支持PXI和PXI Express两种总线形式的模块，从而更好地保留了过去的投资。

总言之，PCI Express技术的诞生使得虚拟仪器技术可以实现对于数据吞吐率有高要求的应用，例如汽车碰撞测试的高速图像采集或高速数字I/O应用等等。