基于NI LabVIEW圖形化編程對(duì)多核處理器和其他并行硬件進(jìn)行編程

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NI LabVIEW圖形化編程方法不僅省時(shí)，還很適合對(duì)多核處理器和其他并行硬件[如：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)]進(jìn)行編程。 其中一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是：通過(guò)2個(gè)、4個(gè)或更多核將應(yīng)用程序自動(dòng)擴(kuò)展至CPU，通常無(wú)需更多編程努力。 此外，圖形化LabVIEW代碼還有助工程師與科學(xué)家可視化顯示并行操作，因?yàn)樗焐?a target="_blank">工業(yè)和院校采用的最流行并行編程模式。

并行編程的挑戰(zhàn)
并行編程正很快成為用來(lái)構(gòu)建大多數(shù)多核處理器的必要。 出于許多原因（包括：能耗與內(nèi)存帶寬），現(xiàn)代處理器具有非常遲滯的時(shí)鐘頻率；CPU制造商卻開(kāi)始在單芯片上納入多個(gè)處理器內(nèi)核同時(shí)維持乃至降低時(shí)鐘頻率。 因?yàn)椴荒苎鲑嚂r(shí)鐘頻率的增加來(lái)自動(dòng)加速應(yīng)用程序，現(xiàn)在您必須設(shè)計(jì)出在多核處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序。 未來(lái)，如果您不花時(shí)間優(yōu)化針對(duì)多核處理器的應(yīng)用程序，可能發(fā)現(xiàn)性能出現(xiàn)減退。

為解決這項(xiàng)挑戰(zhàn)，許多工具被用來(lái)幫助您創(chuàng)建能夠利用多核處理器的代碼。 您能手動(dòng)地將代碼塊分配至線程；這樣，許多操作系統(tǒng)都可以將這些線程擴(kuò)展到不同的處理器內(nèi)核上。 然而，管理這些線程費(fèi)時(shí)而且困難。 此外，各種語(yǔ)言和API對(duì)部分關(guān)乎線程的工作進(jìn)行抽象，但它們?nèi)孕枰_切指定能夠并行運(yùn)行的操作類型。

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圖1. CPU時(shí)鐘頻率停止增長(zhǎng)；多核處理器的性能現(xiàn)在得到提升。

自動(dòng)利用多核處理器
在LabVIEW中編程涉及到創(chuàng)建類似流程圖的圖形化代碼(G)，這與使用傳統(tǒng)的順序語(yǔ)言進(jìn)行編程迥然不同。 這被稱為數(shù)據(jù)流編程。 LabVIEW程序不編寫(xiě)逐個(gè)執(zhí)行的命令序列，而包含將一個(gè)變量連至下一個(gè)的變量與運(yùn)算符——LabVIEW編譯器自動(dòng)確定命令的先后順序以便執(zhí)行繼而產(chǎn)生正確的結(jié)果。 這也意味著：借助LabVIEW，代碼的兩個(gè)并行部分在相互獨(dú)立時(shí)，能夠在一個(gè)多核處理器的不同核上同時(shí)運(yùn)行。

如需視覺(jué)化顯示該部分，請(qǐng)考慮圖2中簡(jiǎn)單的算術(shù)程序。LabVIEW會(huì)認(rèn)為：不論是乘與加函數(shù)還是減函數(shù)，都能同時(shí)執(zhí)行；它們不會(huì)相互依賴著執(zhí)行。

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圖2. 獨(dú)立的代碼路徑可同時(shí)執(zhí)行。

LabVIEW編譯器可辨識(shí)程序框圖上許多不同的并行代碼，并在運(yùn)行的同時(shí)將那些部分映射至數(shù)量固定的線程。 這能防止您手動(dòng)處理線程細(xì)節(jié)，同時(shí)避免創(chuàng)建過(guò)多可能危及性能的線程。

手動(dòng)線程創(chuàng)建
LabVIEW自動(dòng)處理線程并利用多核處理器的能力，并不意味著：您在需要時(shí)無(wú)法控制此事。 例如，您或許希望獨(dú)立一項(xiàng)特定任務(wù)，如：專用、優(yōu)先級(jí)線程中的緊急狀態(tài)監(jiān)控。 LabVIEW定時(shí)結(jié)構(gòu)包含定時(shí)循環(huán)，每個(gè)都能創(chuàng)建一個(gè)供結(jié)構(gòu)內(nèi)代碼運(yùn)行的單一線程，并能夠通過(guò)在開(kāi)發(fā)期間或者運(yùn)行時(shí)設(shè)置處理器親和度選項(xiàng)被分配到特定處理器內(nèi)核。 憑借LabVIEW，您無(wú)需放棄在必要時(shí)對(duì)低層的訪問(wèn)，就能聚焦在自己全力解決的問(wèn)題上，而不是花時(shí)間將代碼映射至多核處理器。

交互顯示并行代碼
LabVIEW在利用多核CPU時(shí)具備另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)： 并行代碼的直觀圖形化表現(xiàn)。 當(dāng)您能使用傳統(tǒng)的順序語(yǔ)言來(lái)創(chuàng)建并行程序時(shí)，持續(xù)跟蹤并行操作會(huì)是一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。 此外，由于開(kāi)發(fā)者往往聯(lián)手創(chuàng)建大型應(yīng)用程序，破解他人編寫(xiě)的并行代碼甚至比破解您自己的代碼更困難。

相反，LabVIEW數(shù)據(jù)流編程方式帶來(lái)一種最基本的通信形式——流程圖。 多年來(lái)，順序編程人員一直通過(guò)創(chuàng)建流程圖來(lái)記錄程序元素并且相互通信。 不用將流程圖詮釋為順序代碼或者反其道而行，您能在圖形化數(shù)據(jù)流代碼中直接執(zhí)行理念。 您還能快速辨識(shí)運(yùn)行在不同處理器內(nèi)核上的并行代碼路徑。

LabVIEW圖形化代碼直觀地代表了工業(yè)和院校采用的最常見(jiàn)并行編程模式。 某些流行模式包含：任務(wù)并行機(jī)制、數(shù)據(jù)并行機(jī)制和流水線操作。?

任務(wù)并行機(jī)制
任務(wù)并行機(jī)制代表：2個(gè)或更多能夠并行執(zhí)行的單獨(dú)操作。 在右方的LabVIEW代碼中，請(qǐng)注意：濾波器和快速傅立葉變換(FFT)的操作并不相互依賴，所以它們能在多個(gè)處理器內(nèi)核上同步執(zhí)行。

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圖3. 任務(wù)并行機(jī)制的范例