利用多核PC技術進行圖形編程

　　在PC行業(yè)，多核處理正在引起相當大的反響，很大程度上是因為Intel和 AMD兩家公司都各自發(fā)布了其首款多核處理器。這些首款多核處理器都是在一個物理處理器中包含有兩個核，或者計算引擎，因此命名為雙核處理器。具有兩個以上核的處理器也即將面市。

　　多核與多處理器

　　多處理器系統(tǒng)多年前已經(jīng)出現(xiàn)，它與多核系統(tǒng)的主要區(qū)別是多核系統(tǒng)只有一個物理處理器，這個物理處理器包含兩個或更多個核，而多處理器系統(tǒng)有兩個或更多個物理處理器。多核系統(tǒng)也共享計算資源，在多處理器系統(tǒng)中這些資源常常是被復制的，如L2高速緩存和前端總線。多核系統(tǒng)與多處理器系統(tǒng)性能相似，但成本常常要低得多，原因是多核處理器比多個相同的單個處理器價格要低，也不需要支持多個處理器的母板，如多處理器插頭。

　　多任務

　　像多處理器系統(tǒng)一樣，多核系統(tǒng)能同時執(zhí)行多個計算任務。這一點在如Windows XP多任務操作系統(tǒng)(OS)中很有利，此時可以同時運行多個應用程序。多任務指OS在兩個任務間快速切換的能力，表面上看，這些任務同時執(zhí)行。當運行在多核系統(tǒng)上時，多任務OS能真正同時執(zhí)行多個任務，而不只是表面上看起來是。例如，在雙核系統(tǒng)上，兩個應用——如National Instruments LabVIEW 和Microsoft Excel，各自都能同時訪問一個獨立的處理器核，因此，提高了如進行數(shù)據(jù)記錄的應用程序的整體性能。

　　圖1:雙核系統(tǒng)可實現(xiàn)多任務操作系統(tǒng)，如Windows XP，真正同時執(zhí)行兩個任務。

　　多線程

　　多線程將多任務思想延伸到應用程序，所以可以將一個單獨應用程序內(nèi)的具體操作分成具體線程，各線程都能并行運行。這樣，OS就不僅能在不同應用程序間，也可在一個應用程序的每個線程間劃分處理時間。在多線程NI LabVIEW程序中，例如一個應用程序可分為3個線程：1個用戶接口線程、1個數(shù)據(jù)采集線程和1個分析線程。可以給這些線程分配優(yōu)先權，各自獨立運行。因此，在多線程應用程序中，多任務能與正在其他系統(tǒng)上運行的其他應用程序一起并行進行。

　　采用多線程的應用優(yōu)點很多，包括CPU使用效率更高，系統(tǒng)可靠性更高，多核系統(tǒng)的性能得到提高。

　　更高效地使用CPU

　　在很多應用程序中，資源可以同時調(diào)用，如在儀器中。完成這種調(diào)用常常需要花費很長時間。在單線程應用中，同步調(diào)用有效阻止或防止了應用程序內(nèi)的任何其他任務的執(zhí)行，直到該調(diào)用完成。多線程避免了這種情況的發(fā)生。當一個線程出現(xiàn)同步調(diào)用時，其他不依賴此調(diào)用的程序部分在其他線程下運行。應用程序繼續(xù)執(zhí)行，而不是等到此同步調(diào)用完成后再繼續(xù)執(zhí)行。這樣，如果應用程序的任何一個線程準備運行，則CPU都可運行該線程，所以，多線程應用最大程度提高了CPU效率。

　　系統(tǒng)可靠性更高

　　通過將應用程序分成不同的執(zhí)行線程，可以避免次要操作影響最重要操作的執(zhí)行。最常見的例子是用戶接口可能對時間更關鍵的操作的影響。屏幕更新或響應用戶事件經(jīng)常會降低應用程序的執(zhí)行速度。給用戶接口線程賦予的優(yōu)先權比其他對時間要求更關鍵的操作事件的優(yōu)先權要低些，就能保證用戶接口操作不會阻止CPU執(zhí)行更重要的操作，如采集數(shù)據(jù)或過程控制。

　　提高多核系統(tǒng)的性能

　　多線程最誘人的優(yōu)點之一是可以利用多核系統(tǒng)完備的計算能力。在幾個線程都同時準備運行的多線程應用程序中，每個核可以運行不同的線程，應用程序?qū)崿F(xiàn)了真正的并行任務執(zhí)行。這樣不僅增強了前面討論的CPU使用效率更高和系統(tǒng)可靠性更高這兩個優(yōu)點，而且使性能得到徹底提高。

　　圖形編程的優(yōu)點

　　根據(jù)定義，虛擬儀器有助于利用PC業(yè)的每一個創(chuàng)新。多核處理也一樣。開發(fā)能充分利用多核處理器計算能力的軟件時，就需要本質(zhì)上具備并行性的開發(fā)工具。由于其順序特征，如C 和C++這種基于文本的編程語言就要求調(diào)用函數(shù)，有計劃地產(chǎn)生和管理線程。同時，由于文本語言的順序的、一行接一行的特點，如何使不同代碼部分的并行運行可視化常常很困難。

　　相比之下，像LabVIEW一類的圖形編程環(huán)境可方便地表示并行過程，這是因為數(shù)據(jù)流本來就是并行的。在圖形環(huán)境下并行代碼的執(zhí)行進行可視化更容易，在這種環(huán)境下，圖形代碼的兩個并行執(zhí)行路徑并行放置。LabVIEW代碼也天生就是多線程。LabVIEW能識別程序中的多線程機會，由執(zhí)行系統(tǒng)處理多線程實現(xiàn)和通信。例如，兩個沒有任何依賴關系而運行的獨立環(huán)在各自的線程內(nèi)自動執(zhí)行。當在多核系統(tǒng)中執(zhí)行LabVIEW代碼時，多線程在多個處理器核上運行，而不需用戶進行任何干預。

　　圖2: LabVIEW中圖形編程的并行特點自動實現(xiàn)多線程，這些多線程在多核處理器上運行，而不需用戶進行任何干預。

　　PXI -A多核平臺

　　PXI是一種容易實現(xiàn)多核處理的平臺，是一個開放的、多銷售商的、基于PC的平臺，用于測試、測量和控制?？梢酝ㄟ^任何的雙核臺式電腦或掌上電腦遠程控制PXI系統(tǒng)，美國國家儀器公司(NI)已經(jīng)發(fā)布了業(yè)界首款嵌入式、機架固定的雙核PXI控制器，NI的PXI-8105嵌入式控制器采用2.0 GHz Intel 酷睿雙核處理器T2500，NI的PXI-8351機架固定控制器采用3.0 GHz Intel奔騰D處理器830。LabVIEW 8的基準證明了在NI PXI-8105和單核PXI-8196(2.0 GHz Intel奔騰M 處理器760)之間，對于單線程應用程序，性能提高達25%，而兩者的處理器時鐘速率相等。這一提高歸功于這兩代Intel架構處理器和芯片組之間的無數(shù)改進的結果。從多線程應用基準可以看出，性能的提高是來自PXI-8105處理器是雙核這一事實，與NI PXI-8196嵌入式控制器相比，性能提高達100%。

　　圖3: 雙核PXI系統(tǒng)對多線程應用程序性能提高達100%。

　　為多核系統(tǒng)選擇LabVIEW

　　在多任務環(huán)境和多線程應用程序中，多核系統(tǒng)都有許多優(yōu)勢。因為圖形數(shù)據(jù)流本質(zhì)上為并行的，而LabVIEW代碼本質(zhì)上為多線程，LabVIEW在利用諸如PXI的多核系統(tǒng)開發(fā)應用程序中已經(jīng)顯示，并且仍將繼續(xù)顯示出相當大的優(yōu)勢。