利用NI LabVIEW优化多核处理器环境下的自动化测试

多线程编程的挑战

迄今为止，处理器技术的创新为我们带来了配有工作于更高时钟速率的CPU的计算机。然而，随着时钟速率逼近其理论上的物理极限，人们开始投入到具备多个处理核的新型处理器的开发。借助这些新型多核处理器，工程师们在自动化测试应用开发中利用并行编程技术，可以实现最佳的性能和最大的吞吐量。爱德华×李博士——加州大学伯克利分校电气与计算机工程教授——阐述了并行处理的技术优势。

“许多技术专家预言，对于摩尔定律的终结回应，将是日趋并行的计算机架构。如果我们希望继续提高计算性能，计算机程序必须能够利用这种并行机制。”

而且，业界专家业已认识到，对于编程应用，如何利用多核处理器将是一个巨大的挑战。比尔×盖茨——微软公司的缔造者——是这样论述的：

“要想充分利用并行工作的处理器的威力，…软件必须能够处理并发性问题。但正如任何一位编写过多线程代码的开发者告诉你的那样，这是编程领域最艰巨的任务之一。”

幸运的是，NI LabVIEW软件，通过一个直观的、用于创建并行算法的API，为我们提供了一个理想的多核处理器编程环境，所创建的并行算法可以将多个线程动态分配至一

项给定的应用。事实上，您可以利用多核处理器优化自动化测试应用，以获取最佳性能。

而且， PXI Express的模块化仪器增强了这一技术优势，因为这些仪器利用了PCI Express总线所能支持的高数据传输速率。得益于多核处理器和PXI Express仪器的两个具体应用是：多通道信号分析和在线处理(硬件在环)。在此白皮书中，我们将评估各种并行编程技术，并描述每项技术所带来的性能优势。

实现并行测试算法

一项常见的得益于并行处理的自动化测试应用便是多通道信号分析。由于频率分析是一项占用处理器运行时间较多的操作，您可以并行运行测试代码，将每个通道的信号处理分配至多个处理器核，提高执行速度。从编程人员的角度来看，为获得这一技术优势，唯一需要改变的只是测试算法结构的细微调整。

为描述这一过程，现比较用于多通道频率分析(快速傅立叶变换或FFT)的两个算法的执行时间，它们分别位于一个高速数字化仪的两个通道上。NI PXIe-5122 14-位高速数字化仪的两个通道均以最高采样率(100 MS/s)采集信号。首先，我们察看LabVIEW中对应于这一操作的传统顺序编程模型。

图1. 利用顺序执行的LabVIEW代码

采集来自数字化仪的两个通道的信号

图1中，两个通道的频率分析均在一个FFT快速VI中完成，它顺序分析每个通道信号。虽然上述算法也可以在多核处理器环境下有效执行，但是，您还可以通过并行处理每个通道来进一步提高算法性能。

如果您剖析上述算法，就会发现完成FFT所需的时间要比从高速数字化仪采集数据长得多。通过每次获取各个通道的数据并且并行执行各个通道的FFT，可以显著降低处理时间。图2表示了一个采用并行方法的新的LabVIEW模块框图。

图2. 利用并行执行的LabVIEW代码

顺序获取数字化仪的每个通道的数据。值得注意的是如果两次数据获取均来自不同的仪器，那么您可以彻底并行完成这些操作。然而，由于FFT占用大量的处理器时间，您仍可以仅通过将信号并行处理来改善性能，减少了总的执行时间。图3显示了两种实现的执行时间：

图3. 随着数据块大小的增加，通过并行处理节约的处理时间愈为显著。

事实上，对于更大的数据块，并行算法方法实现了近2倍的性能改进。图4描述了性能随采集数据块大小(以采样数为单位)增大而提高的精确百分比。

图4. 对于大于1百万采样(100 Hz精度带宽)的数据块，并行方式实现了80%或更高的性能增长。

在多核处理器环境下，可以方便地实现自动化测试应用的性能改进，因为您可以使用LabVIEW动态地分配每一个线程。事实上，您不需要创建特殊的代码以支持多线程，而是通过最少的编程调整，利用多核处理器来达到并行测试。

配置定制的并行测试算法

并行信号处理算法帮助LabVIEW在多个处理器核中划分处理器的用途。图5按顺序描述了CPU处理算法每一部分。

图5. LabVIEW能够并行处理许多采集数据，从而节省了执行时间。

并行处理要求LabVIEW拷贝(或克隆)每个信号处理子例程。缺省情况下，LabVIEW的许多信号处理算法配置为“可重入执行”。这就意味着LabVIEW将动态分配给每个子例程唯一的实例，包括独立线程和存储空间。因而，您必须将定制的子例程的配置，工作于可重入方式。您可以通过LabVIEW中一个简单的配置步骤完成这一工作。欲设置这一属性，选择文件菜单下VI属性并选