基于LabVIEW的多核系統(tǒng)編程技術(shù)

　　因?yàn)镹I LabVIEW是數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)者們可以編寫(xiě)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(shū)討論了什么是數(shù)據(jù)流編程以及為什么說(shuō)NI LabVIEW是多核系統(tǒng)編程的首選。

　　免費(fèi)午餐結(jié)束了

　　近幾年來(lái)，處理器的速度遭遇到了瓶頸。摩爾定律表明，每隔18~24個(gè)月芯片中晶體管的數(shù)量就會(huì)增加一倍。這在過(guò)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(guò)去，芯片生產(chǎn)廠商通過(guò)增加處理器的時(shí)鐘速度來(lái)提高芯片的性能，如從100~200MHz，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(guò)提高時(shí)鐘速度來(lái)增加性能的方法行不通了。芯片廠商開(kāi)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(gè)處理器內(nèi)核。相對(duì)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(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的方法。微軟公司的軟件設(shè)計(jì)師Herb Sutter曾說(shuō)過(guò)，對(duì)于那些期望最終用戶簡(jiǎn)單的將計(jì)算機(jī)升級(jí)到更快的處理器就可以立即看到軟件程序性能提升的開(kāi)發(fā)者而言，“免費(fèi)午餐結(jié)束了”。簡(jiǎn)而言之，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，軟件開(kāi)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(gè)處理器上集成多個(gè)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(jí)到更快的CPU意味著一個(gè)序列中每個(gè)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(jì)一個(gè)在內(nèi)核間分配任務(wù)的應(yīng)用程序，從本質(zhì)上說(shuō)來(lái)就是開(kāi)發(fā)并行應(yīng)用程序來(lái)取代順序執(zhí)行的程序。

　　LabVIEW――一種圖形化數(shù)據(jù)流式編程語(yǔ)言

　　在LabVIEW中開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的主要優(yōu)勢(shì)是這種語(yǔ)言有著直觀、圖形化的特點(diǎn)。在LabVIEW中，用戶解決工程問(wèn)題就像是在紙上畫(huà)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(huì)嘗試著并行的執(zhí)行程序。在計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語(yǔ)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(xiě)并行代碼，編程語(yǔ)言自己會(huì)進(jìn)行一定程度的并行化。

　　從單核到雙核計(jì)算機(jī)，理論上講，獲得的性能應(yīng)該是原來(lái)的兩倍。但是，與這個(gè)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(lái)表示他們的解決方案。對(duì)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(xiě)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(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序的例子。其中，LabVIEW代碼中的分支簡(jiǎn)化了兩個(gè)分析任務(wù)――一個(gè)濾波器操作和一個(gè)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(méi)有顯示的性能測(cè)試代碼，它首先在單核模式下(關(guān)掉其中的一個(gè)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(jì)算量很高的，利用任務(wù)并行化獲得的性能改進(jìn)為原來(lái)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(lái)的并行特性。

　　基于文本的編程語(yǔ)言如C語(yǔ)言等，在代碼中利用特殊標(biāo)記來(lái)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€(gè)挑戰(zhàn)。

　　在C語(yǔ)言中，用戶必須使用鎖操作、互斥量、原子操作和其他高級(jí)編程技術(shù)來(lái)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：

　　1. 由于線程太多而導(dǎo)致效率低下。

　　2. 死鎖――線程一直在等待某些而不能進(jìn)行處理。

　　3. 競(jìng)爭(zhēng)狀況- 代碼運(yùn)行的時(shí)序沒(méi)有被正確管理，在需要數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)不是沒(méi)有準(zhǔn)備好就是已經(jīng)被覆蓋掉了。

　　4. 存儲(chǔ)器沖突――與代碼中存儲(chǔ)器管理相關(guān)的問(wèn)題。

　　由于使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)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。

　　LabVIEW是利用實(shí)時(shí)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(píng)估的四個(gè)軟件層次來(lái)確定多核系統(tǒng)的可用程度。如果所用的應(yīng)用程序庫(kù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)不是為多核而設(shè)計(jì)的，或者操作系統(tǒng)不能夠在多個(gè)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(huì)運(yùn)行得更快。