數(shù)據(jù)流編程以及LabVIEW多核編程

因?yàn)镹I LabVIEW是數(shù)據(jù)流編程語言，開發(fā)者們可以編寫并行的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以直接映射到并行的硬件（如多核心處理器和FPGA等）上以獲得最優(yōu)異的性能。這篇白皮書討論了什么是數(shù)據(jù)流編程以及為什么說NI LabVIEW是多核系統(tǒng)編程的首選。

1. 免費(fèi)午餐結(jié)束了

近幾年來，處理器的速度遭遇到了瓶頸。摩爾定律表明，每隔18到24個月芯片中晶體管的數(shù)量就會增加一倍。這在過去的40年里始終是適用的，但是芯片性能卻不再保持線性增加了。過去，芯片生產(chǎn)廠商通過增加處理器的時鐘速度來提高芯片的性能，如從100MHz到200MHz，再到最近的數(shù)GHz的范圍。

但是在今天，由于功耗和散熱的限制，通過提高時鐘速度來增加性能的方法行不通了。芯片廠商開始轉(zhuǎn)向另一種全新的芯片構(gòu)架，就是在單芯片上集成多個處理器內(nèi)核。相對于單核處理器, 程序員們可以使用多核處理器完成更多的任務(wù)。為了充分利用多核處理器，程序員們需要重新考慮開發(fā)應(yīng)用程序的方法。微軟公司的軟件設(shè)計師Herb Sutter曾說過，對于那些期望最終用戶簡單的將計算機(jī)升級到更快的處理器就可以立即看到軟件程序性能提升的開發(fā)者而言，“免費(fèi)午餐結(jié)束了”。簡而言之，在相當(dāng)長的一段時間里，軟件開發(fā)是這樣的，但是現(xiàn)在情況不同了。

圖1 摩爾定律表明處理器速度不能更快了，所以Intel和AMD等芯片廠商正在轉(zhuǎn)向在單個處理器上集成多個核心的方法。

順序執(zhí)行的程序在處理器的速度提升后將得到性能的改善，將電腦升級到更快的CPU意味著一個序列中每個單獨(dú)的指令都將運(yùn)行得更快。為了在多核系統(tǒng)中繼續(xù)獲得性能提升，你需要設(shè)計一個在內(nèi)核間分配任務(wù)的應(yīng)用程序，從本質(zhì)上說來就是開發(fā)并行應(yīng)用程序來取代順序執(zhí)行的程序。

2. LabVIEW- 一種圖形化數(shù)據(jù)流式編程語言

在LabVIEW中開發(fā)應(yīng)用程序的主要優(yōu)勢是這種語言有著直觀、圖形化的特點(diǎn)。在LabVIEW中，用戶解決工程問題就像是在紙上畫框圖一樣?，F(xiàn)代多核處理器技術(shù)使得LabVIEW成為一種更適合的編程工具，因?yàn)樗兄⑿谢磉_(dá)和執(zhí)行任務(wù)的能力。

LabVIEW的數(shù)據(jù)流特性使得如果連線中存在著分支，或者是框圖中存在并行序列，那么LabVIEW執(zhí)行機(jī)構(gòu)會嘗試著并行的執(zhí)行程序。在計算機(jī)科學(xué)術(shù)語中，這稱為“潛在的并行化”，因?yàn)槟悴恍枰鶕?jù)并行運(yùn)行的需要明確地編寫并行代碼，編程語言自己會進(jìn)行一定程度的并行化。

從單核到雙核計算機(jī)，理論上講，獲得的性能應(yīng)該是原來的兩倍。但是，與這個極限接近的程度取決于用戶應(yīng)用程序運(yùn)行的并行化程度。LabVIEW程序員們可以很方便的以并行方式來表示他們的解決方案。對于普通的LabVIEW應(yīng)用程序而言，如果不考慮多核心編程技術(shù)，在不改寫代碼的情況下，與最初的程序相比，可以獲得25%到35%的性能提升，這都是緣于普通LabVIEW程序所具有的并行特性。

圖2是一個簡單的應(yīng)用程序的例子。其中，LabVIEW代碼中的分支簡化了兩個分析任務(wù)——一個濾波器操作和一個快速傅立葉變換（FFT），使它們可以在雙核機(jī)器上并行執(zhí)行。在圖表中沒有顯示的性能測試代碼，它首先在單核模式下（關(guān)掉其中的一個核）運(yùn)行“for loop”一次，然后在雙核的模式下運(yùn)行。因?yàn)檫@兩項(xiàng)任務(wù)都是計算量很高的，利用任務(wù)并行化獲得的性能改進(jìn)為原來的1.8倍。

圖2 典型的LabVIEW應(yīng)用程序，它展示了數(shù)據(jù)流編程所具有的與生俱來的并行特性

基于文本的編程語言如C語言等，在代碼中利用特殊標(biāo)記來表示并行化代碼，創(chuàng)建并行任務(wù)（也就是創(chuàng)建獨(dú)立的線程）。管理這些多線程的應(yīng)用程序?qū)⑹且粋€挑戰(zhàn)。

在C語言中，用戶必須使用鎖操作、互斥量、原子操作和其他高級編程技術(shù)來管理同步。當(dāng)多線程變得難于跟蹤調(diào)試，通常的編程缺陷便出現(xiàn)了，如下所示：

? 由于線程太多而導(dǎo)致效率低下。

? 死鎖 — 線程一直在等待某些而不能進(jìn)行處理。

? 競爭狀況— 代碼運(yùn)行的時序沒有被正確管理，在需要數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)不是沒有準(zhǔn)備好就是已經(jīng)被覆蓋掉了。
? 存儲器沖突 — 與代碼中存儲器管理相關(guān)的問題。

由于使用C語言進(jìn)行開發(fā)面臨的這些挑戰(zhàn)，LabVIEW程序員們可以獲得比以往更高的效率。

3. LabVIEW是利用實(shí)時SMP支持，處于“Multicore Ready”軟件層的最上層

Intel公司定義了用戶需要評估的四個軟件層次來確定多核系統(tǒng)的可用程度。如果所用的應(yīng)用程序庫和設(shè)備驅(qū)動不是為多核而設(shè)計的，或者操作系統(tǒng)不能夠在多個核心上進(jìn)行負(fù)載均衡，那么并行程序在多核心系統(tǒng)上并不會運(yùn)行得更快。

圖3 “Multicore Ready”的軟件層次描述

設(shè)備驅(qū)動軟件層的一個例子就是NI-DAQmx驅(qū)動軟件。傳統(tǒng)的NI-DAQ是“線程安全”的，也就是說在一個NI-DAQ函數(shù)被調(diào)用時，整個庫函數(shù)會阻塞其他線程的調(diào)用。

從第一感覺看來，這是非常有邏輯性的，因?yàn)镹I-DAQ是用來控制硬件的，而硬件通常被認(rèn)為是獨(dú)占的資源。NI-DAQmx是改進(jìn)設(shè)計過的新型DAQ驅(qū)動程序是可重入的，這意味著多個DAQ任務(wù)可以以一種真正并行的方式運(yùn)行而不再會阻塞線程。

利用這種方法，驅(qū)動程序可以在同一個設(shè)備上運(yùn)行多個獨(dú)立任務(wù)，諸如模擬和數(shù)字輸入/輸出等。

操作系統(tǒng)，作為軟件層次的底層，許多實(shí)時的操作系統(tǒng)（RTOS）廠商現(xiàn)在還不支持在多個處理器核心間進(jìn)行自動的線程負(fù)載均衡。

LabVIEW 8.5通過對LabVIEW實(shí)時模塊進(jìn)行擴(kuò)充，為確定性實(shí)時系統(tǒng)帶來了臺式機(jī)上的自動多線程調(diào)度器，也被稱為對稱多任務(wù)處理（SMP）。

4. 結(jié)論

如果您需要更快的測量速度或者在控制應(yīng)用中需要改進(jìn)循環(huán)速率，那么請考慮實(shí)現(xiàn)并行應(yīng)用程序的方式。LabVIEW 8.5為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。