LabVIEW并行化技術(shù)來提高測試的吞吐量

概覽

　　二十世紀一位很有影響力的建筑設(shè)計師Frank Floyd Wright曾經(jīng)說過：“每個偉大的建筑設(shè)計師都是他所處時代的偉大解讀者 。”這句話同樣適用于測試系統(tǒng)設(shè)計師們。在他們設(shè)計、開發(fā)和實現(xiàn)系統(tǒng)的時候，他們必須理解不斷進步的技術(shù)，如多核處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和高速數(shù)據(jù)總線，如PCI Express等等。通過將這些技術(shù)與NI LabVIEW并行化編程軟件及NI TestStand編程管理軟件結(jié)合在一起，測試工程師們可以創(chuàng)建出高性能的測試系統(tǒng)，用于并行化處理、并行化測量，甚至于在生產(chǎn)階段進行完全并行化的測試。借助于基于PC機的并行化技術(shù)，用戶可以將測試速度提高到傳統(tǒng)儀器的10倍以上。

　　并行化處理

　　在傳統(tǒng)CPU設(shè)計中，CPU性能會受限于實際的困難，如高速時鐘速率帶來的散熱問題等。為了確保PC機平臺可以滿足不斷增長的處理需求，芯片制造商們正在開發(fā)具有多個處理核心的新型處理器。在自動化測試應(yīng)用中，為了充分發(fā)揮多核技術(shù)在性能和吞吐量上的優(yōu)勢，必須針對多個處理核心編寫軟件應(yīng)用程序，即創(chuàng)建出在多個處理核心上分別執(zhí)行的多個線程。

　　　圖1.LabVIEW編譯器在不需要用戶配置的情況下，即可為并行代碼段創(chuàng)建獨立的執(zhí)行線程

　　利用基于文本的編程語言(如ANSI C等)編寫多線程應(yīng)用程序，對于多數(shù)設(shè)計和測試工程師而言，都不是一件很容易的事情，它需要精通創(chuàng)建和管理線程，并且懂得以線程安全的方式在線程間傳遞數(shù)據(jù)。利用LabVIEW圖形化編程環(huán)境，工程師們可以充分發(fā)揮出多核處理的計算性能。如圖1所示，在LabVIEW中，兩個沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的循環(huán)會自動在獨立的線程中執(zhí)行，而開發(fā)者不需要考慮線程管理等細節(jié)內(nèi)容。如果需要了解如何利用多核處理器的應(yīng)用案例，請閱讀名為《使用多核處理器和NI LabVIEW來最優(yōu)化自動測試應(yīng)用》的白皮書。

　　對于特殊的數(shù)據(jù)操作和信號處理而言，為這些任務(wù)分配專用的處理單元是十分必要的。多核控制器可以很好地滿足這種需求，然而對于最終的并行處理而言，它的性能很難超過FPGA。FPGA為自動化測試系統(tǒng)提供了無與倫比的性能和可靠性，是目前并行化編程計算硬件中的佼佼者。LabVIEW FPGA Module軟件使用LabVIEW嵌入式技術(shù)對LabVIEW圖形化開發(fā)進行了擴展，并且針對NI可配置I/O(RIO)硬件上的FPGA芯片。LabVIEW有著清晰的并行化和數(shù)據(jù)流表示方法，因而非常適合對FPGA進行編程。借助于LabVIEW FPGA Module軟件，用戶可以創(chuàng)建出自定義的測量和控制硬件，而無需了解低級別的硬件描述語言或板級設(shè)計。用戶可以借助于個性化的并行化硬件來進行實現(xiàn)特殊的定時和觸發(fā)例程、超高速控制、與數(shù)字協(xié)議進行接口、數(shù)字信號處理(DSP)和其它許多需要高速的硬件可靠性和確定性的應(yīng)用。

　　使用FPGA，用戶可以實現(xiàn)協(xié)同處理的應(yīng)用(如圖2所示)。例如，使用具有新型定點計算能力的LabVIEW FPGA以及ni.com/ipnet上提供的快速傅里葉變換(FFT)，用戶可以在NI PXI-7852 R系列模塊上的Virtex-5 LX50 FPGA中擺放40個并行化的FFT操作。隨著PXI Express的專用帶寬(高達1GB/秒/方向)和點對點流盤技術(shù)的出現(xiàn)，這種能力的價值正在不斷提升。

圖2.LabVIEW FPGA的定點計算能力可以使PXI FPGA上包含F(xiàn)FT在內(nèi)的協(xié)處理應(yīng)用的性能得到提高

　　并行化測量

　　并行化測量要求測試系統(tǒng)中所有的子部件都支持并行化的模型，而不只是處理器。其中包含了數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖3.PCI Express實現(xiàn)了專用帶寬而非共享式數(shù)據(jù)傳輸，進而顯著提高采集和傳輸?shù)接脖P的數(shù)據(jù)數(shù)量

　　現(xiàn)在，模塊儀器中最常用的數(shù)據(jù)傳輸總線包括PCI、USB、以太網(wǎng)和GPIB，但是它們都不支持真正的并行化數(shù)據(jù)傳輸模型，因為總線上的設(shè)備共享總線的帶寬。如果I/O設(shè)備采集或生成的累計速率比總線可用的速率高，那么將造成數(shù)據(jù)的丟失。解決這個問題的通常辦法是順序化地進行測量，并且在I/O設(shè)備上集成大容量的板上存儲器作為緩沖區(qū)，這樣在等待通信總線可用的過程中，數(shù)據(jù)就不會丟失了。

　　相反，PCI Express是最新的高性能數(shù)據(jù)傳輸總線，它為每個設(shè)備提供了專用的帶寬，而且提供的吞吐量比上面提到的其它商業(yè)化通信總線都要大?？捎玫腜CI Express總線有x1、x4、x8和x16(發(fā)音為“乘1”，“乘4”等等)通道幾種，其中每條通道的有用吞吐量為250MB/s。x1和x4選項是儀器類硬件中最為常見的，分別實現(xiàn)了250MB/s和1GB/s(4條250MB/s的通道)的專用帶寬。

　　通過在背板中使用PCI Express技術(shù)，可將PXI可用的帶寬從132MB/s提高到6GB/s，在帶寬方面的提高達到了45倍多，同時保持了與PXI模塊在軟件和硬件上的兼容性。PXI Express技術(shù)與PXI平臺完全整合在一起，為PXI用戶提供了每個插槽1GB/秒/方向的專用帶寬，以及工業(yè)上最高性能的時序和同步功能。

　　　　　　　　　　　圖4.PCI Express和模塊化儀器為并行化測量提供了可調(diào)整的模型

　　在PXI Express模塊采集數(shù)據(jù)時，它通過專用的PCI Express通道將數(shù)據(jù)從板上存儲器寫入到硬盤驅(qū)動器或者系統(tǒng)存儲器中。當數(shù)據(jù)被傳輸?shù)较到y(tǒng)存儲器中時，LabVIEW應(yīng)用程序可以訪問數(shù)據(jù)，而且如果與多核處理器配合使用，那么從信號到最后測量的并行化測量就實現(xiàn)了。

　　并行化測試

　　利用多核處理器、PCI Express總線和LabVIEW軟件，用戶可以創(chuàng)建并行化的測量系統(tǒng)，它們能夠同時測試一個待測單元(UUT)。但是，并行化測試的定義是指多個待測單元同時接受測試。替代方案是順序化地測試待測單元。雖然并行化測試可以顯著地降低總體的測試時間、增加測試吞吐量，并且改進儀器的使用方法，但是開發(fā)并行化測試系統(tǒng)的復(fù)雜性是非常巨大的。開發(fā)測試管理軟件以實現(xiàn)同時測試多個待測單元，需要理解底層的操作系統(tǒng)并行化工作的原理(如Windows的臨界代碼段)有所了解，不僅需要周密地考慮在多個待測單元間進行儀器共享，而且要避免沖突或者死鎖。

　　從頭開發(fā)自定義的并行化測試系統(tǒng)的替代方案是使用即時可用的測試管理軟件，如NI Teststand。該軟件使用內(nèi)建的特性，對并行化測試系統(tǒng)開發(fā)中底層的復(fù)雜度進行了抽象化，用于在多個線程中執(zhí)行并行化的測試序列，同時對操作系統(tǒng)和儀器資源進行管理。另外，用戶可以使用NI Teststand Resource Profiler工具來理解儀器的使用和并行化測試系統(tǒng)的執(zhí)行，進而降低測試時間并提高吞吐量。Resource Profiler工具可對測試系統(tǒng)執(zhí)行進行分析，并且確定儀器的瓶頸來幫助用戶優(yōu)化測試代碼，區(qū)分未來儀器投資的優(yōu)先順序。如圖5所示，profiler工具實時顯示了儀器和其它資源的使用情況。

圖5. NI TestStand Resource Profiler工具幫助開發(fā)者理解并行測試系統(tǒng)的執(zhí)行， 進而提高了系統(tǒng)的吞吐量

　　為了解釋采用并行化測試構(gòu)架的性能優(yōu)勢，請考慮比較使用PXI平臺和傳統(tǒng)儀器來實現(xiàn)基本的WCDMA測試序列。與W-CDMA測試標準一致，基準應(yīng)該包含測量(如相鄰信道功率(ACP)、占用帶寬(OBW)、補償累積分布函數(shù)(CCDF)和誤差向量幅度(EVM))的時間和精度。如圖6所示，在測量速度方面，基于NI TestStand、LabVIEW和PXI平臺的并行化測試平臺提供了5倍的改進。這可以顯著地節(jié)省終端用戶的開銷。需要了解更多關(guān)于基準分析的信息，請查閱《射頻基準比較白皮書》。

　圖6. 相比于傳統(tǒng)儀器，基于LabVIEW、NI TestStand和PXI的NI并行化測試平臺，提供了5倍的測量速度改進和更高的精度

　　完成并行測試構(gòu)架

　　多核處理器、FPGA和PCI Express正在改變現(xiàn)代PC機的版圖，并幫助LabVIEW圖形化編程根據(jù)工程師應(yīng)用邏輯的數(shù)據(jù)流向，實現(xiàn)真正的并行化處理和并行化測量。利用NI TestStand軟件，可以完成并行化的測試構(gòu)架。具有此結(jié)構(gòu)的測試系統(tǒng)利用PCI Express提高了數(shù)據(jù)吞吐量，使用LabVIEW、多核處理器和FPGA增強了處理能力，最后利用NI TestStand軟件降低了每個待測單元的總體測試時間和費用。