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              LabVIEW馳騁多核技術時代

              —— LabVIEW Fitting for Multi-Core Times
              作者:周斌 NI技術市場工程師時間:2008-09-19來源:電子產品世界收藏

              摘要:本文主要介紹了專門針對應用而優化的全新軟件,并詳細介紹其開發優勢。

              本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/88205.htm

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              時代的編程挑戰

                眾所周知,由于對芯片功率和熱效應的制約,以往單純通過提高主頻來提高處理器運行速度的做法已經不再可行,一個新的架構已經逐漸成型,那就是多核。

                多核時代的來臨已成為主流的發展趨勢,在2006年的Intel開發者論壇上,Intel的CEO Paul Otellini向全世界展示了一個80核的原型,它可以在一秒內處理數以千兆字節的數據,那是非常驚人的處理能力,并且Intel希望在5年內將其推入消費市場。

                然而,這對于工程師和程序員們來說,意味著什么呢?

                在以往,程序開發人員們只需換上一塊更高計算性能的處理器,就可以在無需任何代碼修改的情況下,自動加快了每一行代碼的執行速度。然而在如今的多核時代,這樣的“免費午餐”已經結束了。如圖1所示,即使是在一個4核處理器上,如果其應用只是單線程的話,操作系統仍舊會將所有的任務分配到其中一個核上運行,導致多核處理器無法得到充分的利用。因此,為了充分利用多核處理器,需要有新的編程方法。

               


              圖1 單線程編程無法充分利用多核處理器

                而這恰恰是一個巨大的編程挑戰,針對這個問題,比爾蓋茨也說過:“要想充分利用并行工作的處理器威力,……軟件必須能夠處理并發性問題。但正如任何一位編寫過多線程代碼的開發者告訴你的那樣,這是編程領域最艱巨的任務之一。”

                總體而言,多核處理器編程存在以下幾大難點:首先是并行的思考方式,比如要分辨出哪些任務是可以同時執行的,這并不是一件容易的事情,尤其對于習慣于順序結構編程的開發人員來說,思考方式的轉變往往需要花相當長的一段時間。

                其次是線程的創建和管理。開發人員把任務劃分成多個并行步驟之后,就要通過線程的方式來編程實現。事實上,多線程編程是相當困難的,很多傳統的編程語言都需要一組新的函數或結構來創建、同步、加解鎖線程,這意味著工作量的增加。例如用C++寫一個多線程的程序,程序員就必須要非常熟悉C++,了解如何將C++程序分成多個線程和任務間并發的同步,此外還要了解Windows多線程的機制,熟悉Windows API的調用方法,或者MFC的架構等等;在C++上調試多線程程序,更是被許多程序員視為噩夢。

                最后,開發人員還需要自己考慮并行代碼段之間哪些資源是不能共享的,比如文件、內存、硬件等等,否則會導致資源的沖突和爭奪,使得并行線程因等待資源而暫停甚至死鎖。

                以往基于文本的編程語言,由于其自身是一種順序的編程模式,因此在對待時顯得有些力不從心。雖然對于一些學習計算機編程或軟件工程的專業開發人員來講,使用文本語言在一個雙核處理器中開發機制可能還不足以被難倒的話,那么當Intel推出80核處理器之后,其編程的復雜度相信任何開發人員都無法應付。因此,工程師和開發人員們都期待著一種更高效、更具創新的并行編程工具,能夠協助他們順利迎接多核時代的到來。

              — 天生并行的編程語言

                LabVIEW就是這樣一種馳騁多核技術時代的編程語言,可以幫助開發人員高效地享用多核技術所帶來的益處。

                LabVIEW是一個基于數據流的圖形化開發平臺,它提供了直觀的圖形化編程方式和用戶界面。與傳統的文本編程相比,LabVIEW天生就是一種并行結構的編程語言?;贚abVIEW的數據流特性,如果連線中存在著分支,或者是框圖中有著并行序列,那么后臺的LabVIEW執行器就將自動地實現并行化運行,這種在計算機科學術語中叫做“潛在并行化”(圖2)。例如,我們在LabVIEW下創建了多個循環,那么相對應的也就創建了數個新的執行線程,從而這些并行循環就會自動分配成多個線程分到多個處理核上,讓LabVIEW開發人員享受到了多核處理器的性能優勢。

               


              圖2 LabVIEW本身就是自動多線程的編程語言

                從單核到雙核的處理器,理論上來說,獲得的運算性能可以達到原先的兩倍。但是,與這個極限值的接近程度取決于用戶應用程序并行化運行的程度。使用LabVIEW,我們就可以方便地實現應用程序性能的改進,通過最少的編程調整,并行應用便可以獲益于多核處理器。對于普通的LabVIEW應用程序而言,如果不考慮多核編程技巧,在不改寫代碼的情況下,與最初的基準程序相比,可以獲得25%到35%性能上的提升,這也就意味著“免費的午餐”還沒有結束。

                下面我們來看圖3的簡單例子。其中LabVIEW代碼中的分支簡化了兩個分析任務 ——濾波操作和快速傅立葉變換(FFT),使它們可以在雙核機器上并行化執行。首先程序在單核的模式下(關閉其中一個核)運行一次,然后在雙核模式下運行。從圖中可以看到,由于兩項任務的計算量都很高,因此利用任務并行化獲得的性能改進為原先的1.8倍。

               


              圖3 LabVIEW數據流編程的并行特性

                Windows操作系統是自動將線程分配到不同的核上,那么對于某些應用,如果有一個對時間要求非常高的線程,那么是否有辦法能夠保證它執行的確定性呢?

                使用LabVIEW 就可以很好地解決這個問題,從而獲得對于多核處理器更多的控制權。在 LabVIEW中,工程師可以根據自身需求手動設置線程運行在特定的核上,例如將時間要求苛刻的采集與控制任務放在單獨的核上運行,而將對確定性要求不高的界面響應、數據記錄等任務放在另外一個核上運行(圖4)。值得一提的是,實現這樣的操作非常簡單,就像放一個LabVIEW循環一樣,只需放置一個定時循環(Timed Loop),再分配那個循環到指定的核上即可。

               


              圖4 LabVIEW 允許用戶手動分配線程在指定的核上運行

                作為一個典型的多核應用案例,德國的Max Planck研究院要實現針對核聚變能源的受控熱核反應裝置的等離子控制,這種高速控制需要將88個磁感應器上的大量數據轉換為64×128個點格上的偏微分方程組,并要在短短的1ms內完成整個計算過程。最終他們使用LabVIEW在一個8核的系統上采用并行技術,將整個系統的運算速度提高了5倍,成功地達到了1ms閉環控制速率的要求,完成了這個“不可能的任務”。

              基于LabVIEW的并行編程

                LabVIEW自身所具有的并行特性使得開發人員可以不用花過多的時間放在多線程的創建、管理、同步、調試等底層實現過程上,而可以將主要精力聚焦在整個并行程序的高層架構上,這是能否高效利用多核處理器技術的關鍵所在。

                本節中將簡單介紹針對多核的三種常用編程方式及其在LabVIEW下的實現方式。


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