通過(guò)LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺有效優(yōu)化多核處理器環(huán)境下的信號處理性能

　　多核處理器環(huán)境下的編程挑戰

　　摩爾定律問(wèn)世40余年來(lái)，人們業(yè)已看到半導體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度在提高，Intel微處理器的最高主頻甚至超過(guò)了4G。雖然主頻的提升一定程度上提高了程序運行效率，但越來(lái)越多的問(wèn)題也隨之出現，耗電、散熱都成為阻礙設計的瓶頸所在，芯片成本也相應提高。當單獨依靠提高主頻已不能實(shí)現性能的高效率時(shí)，雙核乃至多核成為了提高性能的唯一出路。隨著(zhù)AMD率先打破摩爾定律、終結頻率游戲后，Intel和AMD都開(kāi)始逐步推出了基于雙核、四核甚至八核的處理器，工程師們逐漸投入到基于多核處理器的新型應用開(kāi)發(fā)中去時(shí)，大家開(kāi)始發(fā)現，借助這些新的多核處理器，并在應用開(kāi)發(fā)中利用并行編程技術(shù)，可以實(shí)現最佳的性能和最大的吞吐量，大大提高應用程序的運行效率。

　　然而，業(yè)界專(zhuān)家們也同時(shí)認識到，對于實(shí)際的編程應用，多核處理器的并行編程卻是一個(gè)巨大的挑戰。比爾蓋茨是這樣論述的：

　　“要想充分利用并行工作的處理器的威力，…軟件必須能夠處理并發(fā)性問(wèn)題。但正如任何一位編寫(xiě)過(guò)多線(xiàn)程代碼的開(kāi)發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領(lǐng)域最艱巨的任務(wù)之一。”

　　比如用C++寫(xiě)一個(gè)多線(xiàn)程的程序，程序員必須要非常熟悉 C++，了解如何將C++程序分成多個(gè)線(xiàn)程和并在各個(gè)線(xiàn)程間進(jìn)行任務(wù)調度，此外還要了解 Windows 多線(xiàn)程的機制，熟悉 Windows API 的調用方法和MFC 的架構等等。在 C++ 上調試多線(xiàn)程程序，更是被很多程序員視為噩夢(mèng)。

　　所以，對于測試測量行業(yè)的工程師來(lái)說(shuō)，在傳統開(kāi)發(fā)環(huán)境下要想獲得多核下的效率提升意味著(zhù)大量而復雜的多線(xiàn)程編程任務(wù)，而使得工程師脫離了自動(dòng)化測試及其信號處理任務(wù)本身，于是，要想在當前的多核機器上充分利用其架構和并行運算的優(yōu)勢，反而成為工程師們“不可能”完成的任務(wù)。

　　LabVIEW降低并行編程的復雜性，快速開(kāi)發(fā)并行構架的信號處理應用

　　幸運的是，NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺為我們提供了一個(gè)理想的多核處理器編程環(huán)境。作為一種并行結構的編程語(yǔ)言，LabVIEW能將多個(gè)并列的程序分支自動(dòng)分配成多個(gè)線(xiàn)程并分派到各個(gè)處理核上，讓一些計算量較大的數學(xué)運算或信號處理應用得以提高運行效率，并獲取最佳性能。

　　我們以自動(dòng)化測試中最常見(jiàn)的多通道信號處理分析為例。由于多通道中的頻率分析是一項占用處理器資源較多的操作，如果能夠讓程序并行地將每個(gè)通道的信號處理任務(wù)分配至多個(gè)處理器核，對于提高程序執行速度來(lái)說(shuō)，就顯得尤為重要。而目前，從LabVIEW編程人員的角度來(lái)看，要想獲得這一原本“不可能”的技術(shù)優(yōu)勢，唯一需要改變的只是算法結構的細微調整，而并不需要復雜且耗時(shí)耗力的代碼重建工作。

　　以雙通道采樣為例，我們需要分別對高速數字化儀的兩個(gè)通道上的數據進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)。假設我們采用的高速數字化儀的兩個(gè)通道均以100 MS/s采樣率采集信號并實(shí)時(shí)分析。首先，我們來(lái)看LabVIEW中對于這一操作的傳統順序編程模型。

　　圖1. 利用順序執行的LabVIEW代碼

　　和其他文本編程語(yǔ)言一樣，處理多通道信號的傳統方法是將各個(gè)通道信號按順序讀入并逐通道的進(jìn)行分析，上面基于LabVIEW的順序編程模型很好的說(shuō)明了這點(diǎn)，0、1兩通道的數據被按順序讀入后，整合為一路數組，并由一個(gè)FFT函數進(jìn)行信號分析并輸出。雖然順序結構能夠順利地在多核機器上運行，但確不能使得CPU負擔得到有效的分攤，因為即使在雙核的機器上， FFT程序也只能在一個(gè)CPU上被執行，而此時(shí)另一個(gè)CPU卻被閑置了。