LabVIEW馳騁多核技術(shù)時(shí)代

　　任務(wù)并行化(Task Parallelism)

　　將整個(gè)程序分成多個(gè)線程來并發(fā)運(yùn)行，是并行編程的一個(gè)基本理念，那么通常一個(gè)程序都會由幾個(gè)子任務(wù)組成，例如在某個(gè)測試測量程序中，就可以分為模擬采集和數(shù)字輸出兩個(gè)任務(wù)，那么如果我們將這些獨(dú)立的任務(wù)并發(fā)地執(zhí)行在多核處理器中，那么就自動提高了運(yùn)行的效率。這種將獨(dú)立的幾個(gè)任務(wù)在程序中并發(fā)執(zhí)行的方法，就叫做任務(wù)并行化。

　　對于任務(wù)并行化，如何合理地去實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配是需要解決的問題。首先，我們可以將本身就互相獨(dú)立的任務(wù)分配在不同線程中，如上例所提到的模擬采集與數(shù)字輸出任務(wù)，之間就沒有任何的數(shù)據(jù)連接，因此在LabVIEW中我們就可以并行地將代碼放在程序框圖中，不需要添加任何其他代碼，如圖5所示。

圖5 LabVIEW對獨(dú)立任務(wù)自動實(shí)現(xiàn)“任務(wù)并行化”

　　此外，編程中常見的生產(chǎn)者—消費(fèi)者循環(huán)也是一種任務(wù)并行化，在LabVIEW下我們可以將生產(chǎn)者(讀取數(shù)據(jù))與消費(fèi)者(分析數(shù)據(jù))分成并行的兩個(gè)任務(wù)，任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互可以使用隊(duì)列結(jié)構(gòu)(Queue)來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型實(shí)現(xiàn)任務(wù)并行

　　數(shù)據(jù)并行化(Data Parallelism)

　　除了可以將程序任務(wù)進(jìn)行并行化之外，對于一些海量數(shù)據(jù)的處理分析，我們還可以將數(shù)據(jù)分成幾個(gè)可并行操作的小數(shù)據(jù)集，然后分別在各個(gè)核上實(shí)現(xiàn)并行處理，最后將結(jié)果整合起來作為整體數(shù)據(jù)集的處理分析結(jié)果，這種方式稱為數(shù)據(jù)并行化。

　　如圖7(a)所示，一個(gè)大的數(shù)據(jù)集僅僅在一個(gè)核上進(jìn)行處理和運(yùn)算，當(dāng)核1在處理數(shù)據(jù)時(shí)，其它的三個(gè)CPU核都處在閑置狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率很低。

　　那么，使用了數(shù)據(jù)并行化之后，如圖7(b)，之前的大數(shù)據(jù)集被分割成4個(gè)小數(shù)據(jù)集，并將它們在各自的核上進(jìn)行處理運(yùn)算，最終再將各自的運(yùn)算結(jié)果整合起來作為大數(shù)據(jù)集的處理結(jié)果。經(jīng)過了數(shù)據(jù)并行化之后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算效率有了直線的提升。

(a)

(b)
圖7 數(shù)據(jù)并行化

　　與“任務(wù)并行化”類似，在LabVIEW下實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)并行化”也相當(dāng)?shù)闹庇^與方便，圖8就顯示了一個(gè)矩陣相乘的代碼，程序中將兩個(gè)大矩陣各自分割成小矩陣進(jìn)行相乘，最 后再整合起來，僅僅這樣一個(gè)簡單的改變就可以在一個(gè)雙核處理器上得到0.9倍的性能提高。

圖8  LabVIEW矩陣相乘的數(shù)據(jù)并行化

　　流水線式(Pipeline)

　　流水線，顧名思義，就是指將一系列的任務(wù)分割成固定的幾個(gè)步驟，然后按照裝配線的方式來執(zhí)行。

　　我們以一個(gè)最簡單的汽車裝配線為例，一輛車的裝配完成需要3個(gè)步驟：底盤安裝、零件安裝以及上漆。如果每個(gè)步驟都需要花費(fèi)1個(gè)小時(shí)的話，那么如果一次就裝配一輛車的話，我們需要花3個(gè)小時(shí)來完成(圖9a)。

　　那么，如果我們換一種思路，分別對每個(gè)步驟設(shè)立一個(gè)工作站(例如工作站1就專門負(fù)責(zé)底盤安裝，以此類推，如圖9b)。這樣一來，我們看到，當(dāng)一輛車在上漆時(shí)，另外一輛車可能正在進(jìn)行底盤安裝。通過這種方式，我們成功實(shí)現(xiàn)了每一個(gè)小時(shí)就能完成一輛車的裝配，是之前裝配速度的3倍。這個(gè)例子中所說的工作站，其實(shí)就可以算作是CPU各個(gè)核，那么通過這種流水線的操作方式，就可以充分利用多核技術(shù)，大大提高整個(gè)程序的運(yùn)行速率。        

(a)

(b)
圖9  流水線式編程思路

　　而在LabVIEW下實(shí)現(xiàn)流水線式編程也是非常方便，圖10就是一個(gè)最簡單的4個(gè)步驟的流水線式代碼，在一個(gè)For循環(huán)中，并行地執(zhí)行4個(gè)處理步驟，系統(tǒng)將這并行的4個(gè)步驟放在不同的核上運(yùn)行，從而起到“工作站”的作用，實(shí)現(xiàn)了流水線式的編程。

圖10  LabVIEW下實(shí)現(xiàn)流水線式編程

　　綜上所述，任務(wù)并行化、數(shù)據(jù)并行化以及流水線式是并行編程的三種最常用的方式，相對于以往的順序結(jié)構(gòu)，這些編程方式可以在多核處理器上發(fā)揮更強(qiáng)大的作用，而在LabVIEW下可以很方便地實(shí)現(xiàn)這些編程方式，從而幫助工程師們從多核處理器技術(shù)中得益，提升系統(tǒng)的性能和運(yùn)算速度。

結(jié)語

　　隨著新一代處理器技術(shù)的日益普遍，工程師與開發(fā)人員的一個(gè)必要考慮因素就是他們使用的軟件如何從多核系統(tǒng)中獲得潛在的性能提升。LabVIEW作為天生并行的圖形化編程環(huán)境，可以自動將程序多線程化，避免了開發(fā)人員繁瑣的底層實(shí)現(xiàn)，將主要精力投入在高層的編程模式上；而作為并行編程的三種常用模式(任務(wù)并行化、數(shù)據(jù)并行化以及流水線式)，在LabVIEW下也都能高效地予以實(shí)現(xiàn)。因此，不容置疑的是，隨著具有更多核的處理器不斷涌現(xiàn)，LabVIEW將幫助開發(fā)人員真正邁入并行，馳騁多核技術(shù)時(shí)代！

參考文獻(xiàn)：

　　1.  劉全周，汪看華，張宏偉，基于LabVIEW和PXI的汽車數(shù)字儀表測控系統(tǒng)，電子產(chǎn)品世界，2008.2