通過LabVIEW優(yōu)化多核環(huán)境下的信號處理性能

　　多核處理器環(huán)境下的編程挑戰(zhàn)

　　摩爾定律問世40余年來，人們業(yè)已看到半導(dǎo)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了4G。雖然主頻的提升一定程度上提高了程序運(yùn)行效率，但越來越多的問題也隨之出現(xiàn)，耗電、散熱都成為阻礙設(shè)計(jì)的瓶頸所在，芯片成本也相應(yīng)提高。當(dāng)單獨(dú)依靠提高主頻已不能實(shí)現(xiàn)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AMD率先打破摩爾定律、終結(jié)頻率游戲后，Intel和AMD都開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(yīng)用開發(fā)中去時(shí)，大家開始發(fā)現(xiàn)，借助這些新的多核處理器，并在應(yīng)用開發(fā)中利用并行編程技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和最大的吞吐量，大大提高應(yīng)用程序的運(yùn)行效率。

　　然而，業(yè)界專家們也同時(shí)認(rèn)識到，對于實(shí)際的編程應(yīng)用，多核處理器的并行編程卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。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)性問題。但正如任何一位編寫過多線程代碼的開發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領(lǐng)域最艱巨的任務(wù)之一?！?/P>

　　比如用C++寫一個(gè)多線程的程序，程序員必須要非常熟悉 C++，了解如何將C++程序分成多個(gè)線程和并在各個(gè)線程間進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，此外還要了解 Windows 多線程的機(jī)制，熟悉 Windows API 的調(diào)用方法和MFC 的架構(gòu)等等。在 C++ 上調(diào)試多線程程序，更是被很多程序員視為噩夢。

　　所以，對于測試測量行業(yè)的工程師來說，在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下要想獲得多核下的效率提升意味著大量而復(fù)雜的多線程編程任務(wù)，而使得工程師脫離了自動化測試及其信號處理任務(wù)本身，于是，要想在當(dāng)前的多核機(jī)器上充分利用其架構(gòu)和并行運(yùn)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(fù)雜性，快速開發(fā)并行構(gòu)架的信號處理應(yīng)用

　　幸運(yùn)的是，NI LabVIEW圖形化開發(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(jié)構(gòu)的編程語言，LabVIEW能將多個(gè)并列的程序分支自動分配成多個(gè)線程并分派到各個(gè)處理核上，讓一些計(jì)算量較大的數(shù)學(xué)運(yùn)算或信號處理應(yīng)用得以提高運(yùn)行效率，并獲取最佳性能。

　　我們以自動化測試中最常見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(xiàng)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(zhí)行速度來說，就顯得尤為重要。而目前，從LabVIEW編程人員的角度來看，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(jié)構(gòu)的細(xì)微調(diào)整，而并不需要復(fù)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(shù)字化儀的兩個(gè)通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)。假設(shè)我們采用的高速數(shù)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，我們來看LabVIEW中對于這一操作的傳統(tǒng)順序編程模型。

　　圖1. 利用順序執(zhí)行的LabVIEW代碼