利用圖形化平臺(tái)開(kāi)發(fā)多核嵌入式系統(tǒng)

　　多核、多線程是嵌入式設(shè)計(jì)的未來(lái)趨向

　　近幾年來(lái)，處理器的速度遭遇到了瓶頸。在過(guò)去40年里摩爾定律表明，每隔18到24個(gè)月半導(dǎo)體芯片中晶體管的數(shù)量就會(huì)增加一倍，而芯片性能也隨之線性增長(zhǎng)。過(guò)去，芯片生產(chǎn)廠商通過(guò)增加處理器的時(shí)鐘速度來(lái)提高芯片的性能，如從100MHz到200MHz，再到最近的幾GHz。但是在今天，由于功耗和散熱的限制，提高時(shí)鐘速度來(lái)增加性能的方法是行不通的了。芯片廠商開(kāi)始轉(zhuǎn)向另一種全新的芯片構(gòu)架，就是使單個(gè)芯片具有多個(gè)處理器器核心。使用多核處理器，程序員們可以完成比使用單核心更多的任務(wù)。

　　嵌入式系統(tǒng)不可避免的也同樣會(huì)遇到在功耗和散熱方面的問(wèn)題，與PC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的同行一樣，嵌入式系統(tǒng)工程師也開(kāi)始考慮轉(zhuǎn)向多核處理器，以求獲得處理能力、功耗和產(chǎn)品體積等方面的潛在優(yōu)勢(shì)。Intel嵌入式和通信集團(tuán)總經(jīng)理Doug Davis指出，在高端通信和醫(yī)療成像等計(jì)算密集型應(yīng)用領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)客戶們已經(jīng)紛紛要求芯片廠商提供具有更長(zhǎng)生命周期的多核器件。Intel不久前宣稱，將面向嵌入式計(jì)算市場(chǎng)提供四核處理器。一些數(shù)碼產(chǎn)品廠商亦指出，他們公司轉(zhuǎn)向多核是因?yàn)椤靶枰鼜?qiáng)的處理能力和多線程”。

　　對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，多核技術(shù)可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更小的物理空間，因而具有許多單核處理器無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)。MIPS科技公司亞太區(qū)副總裁Mark Pittman指出，在嵌入式產(chǎn)品的市場(chǎng)上，許多應(yīng)用可以從多線程流水線執(zhí)行當(dāng)中獲益，整個(gè)系統(tǒng)的性能，由此提高的百分比從60%到300%不等。

　　多核、多線程需要全新的編程方法

　　要想充分發(fā)揮多核以及多處理器解決方案的潛能，僅僅依靠強(qiáng)有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法。微軟公司的軟件設(shè)計(jì)師Herb Sutter說(shuō)過(guò)，對(duì)于那些期望最終用戶簡(jiǎn)單地將計(jì)算機(jī)升級(jí)到更快的處理器，或期望立即看到軟件程序性能提升的開(kāi)發(fā)者而言，“免費(fèi)午餐結(jié)束了”。簡(jiǎn)而言之，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，軟件性能可以輕易地得益于處理器的性能提升，但是現(xiàn)在情況不同了。

　　利用多核處理器的編程應(yīng)用是一個(gè)巨大的編程挑戰(zhàn)，這是廣為接受的。比爾蓋茨有這樣一段話：“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(wèn)題。但正如任何一位編寫(xiě)過(guò)多線程代碼的開(kāi)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。”

　　多核處理器編程，尤其是多線程編程中存在好幾個(gè)難點(diǎn)：首先是并行的思考方式，比如要分辨出哪些任務(wù)是可以同時(shí)執(zhí)行的，這并不是一件容易的事情。

　　其次是線程的創(chuàng)建和管理。開(kāi)發(fā)人員把任務(wù)劃分成多個(gè)并行步驟之后，就要通過(guò)線程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。多線程編程是相當(dāng)困難的，很多傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言都需要一組新的函數(shù)或結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建、同步、加解鎖線程，這意味著工作量的增加。

　　與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員還需要考慮并行代碼段之間哪些資源是不能共享的，比如文件、內(nèi)存、硬件等等，否則會(huì)導(dǎo)致資源的沖突和競(jìng)爭(zhēng)，使得并行線程因等待資源而暫停。此外，如何對(duì)復(fù)雜的多線程編程進(jìn)行調(diào)試，以及如何在多核的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中保持確定性，都是值得考慮的問(wèn)題。

　　通過(guò)圖形化平臺(tái)開(kāi)發(fā)多核嵌入式系統(tǒng)

　　由于多線程編程的復(fù)雜性，很多計(jì)算機(jī)方面的專家都在進(jìn)行探索，希望讓編譯器來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員處理并行性問(wèn)題。如果沒(méi)有這種編譯系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員必須自己來(lái)處理并行編程。雙核處理器的多線程編程已經(jīng)是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，如果以后發(fā)展到80個(gè)核，其復(fù)雜度將令開(kāi)發(fā)人員無(wú)法應(yīng)付。對(duì)于學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程或軟件工程的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，或許文本編程的并行編程機(jī)制并不足以難倒他們，可是對(duì)于其他領(lǐng)域的專業(yè)人員，如果他們并不擅長(zhǎng)編程，又要使用多核處理器帶來(lái)的高性能，那么圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW可能是他們的理想之選。

　　LabVIEW是一種圖形化數(shù)據(jù)流式編程語(yǔ)言，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)圖形化，已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。現(xiàn)在市場(chǎng)所需的是一種完全的圖形化編程語(yǔ)言，提供足夠的靈活性和功能，以滿足更廣泛應(yīng)用的需求。因此，圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是圖形化編程。

　　LabVIEW是一個(gè)基于數(shù)據(jù)流的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它提供了直觀、符合工程師思維習(xí)慣的圖形化編程方式和用戶界面。在LabVIEW中，用戶解決工程問(wèn)題就像是在設(shè)計(jì)他們所熟悉的流程圖一樣。現(xiàn)代多核處理器使得LabVIEW成為一種更合適的編程工具選擇，因?yàn)樗兄⑿谢硎竞蛨?zhí)行任務(wù)的能力。

　　LabVIEW本質(zhì)上是一種并行結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)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(tái)的LabVIEW執(zhí)行器將自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)并行化運(yùn)行。當(dāng)我們?cè)诔绦蚩驁D中通過(guò)連線的分岔創(chuàng)建另一個(gè)程序分支時(shí)，就可能產(chǎn)生另一個(gè)線程。如果我們創(chuàng)建了多個(gè)循環(huán)，那相對(duì)應(yīng)的也就創(chuàng)建了數(shù)個(gè)新的執(zhí)行線程。在LabVIEW中，多個(gè)并行循環(huán)會(huì)自動(dòng)分配成多個(gè)線程并分配到多個(gè)處理核上，因而LabVIEW用戶無(wú)需對(duì)代碼做任何改動(dòng)，也不需要花時(shí)間學(xué)習(xí)新的編程方式，即可利用多核處理器的性能優(yōu)勢(shì)。

　　LabVIEW提升多核應(yīng)用程序的性能，從單核到雙核計(jì)算機(jī)，理論上講，獲得的性能應(yīng)該是原來(lái)的兩倍。但是，與這個(gè)極限的接近程度取決于用戶應(yīng)用程序并行化運(yùn)行的程度。LabVIEW程序員們可以很方便的以并行方式來(lái)表示他們的解決方案。在多核處理器上，我們可以方便地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的性能改進(jìn)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW動(dòng)態(tài)地分配每一個(gè)線程。事實(shí)上，用戶不需要?jiǎng)?chuàng)建特殊的代碼以支持多線程，而是通過(guò)最少的編程調(diào)整，并行應(yīng)用便可以獲益于多核處理器。對(duì)于普通的LabVIEW應(yīng)用程序而言，如果不考慮多核編程技巧，在不改寫(xiě)代碼的情況下，與最初的基準(zhǔn)程序相比，可以獲得25%到35%的性能提升。

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　　圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用程序的例子。其中，LabVIEW代碼分支簡(jiǎn)化了兩個(gè)分析任務(wù)，一個(gè)濾波器操作和一個(gè)快速傅立葉變換(FFT)，使它們可以在雙核機(jī)器上并行化執(zhí)行。它首先在單核的模式下(關(guān)掉其中的一個(gè)核)運(yùn)行，然后在雙核的模式下運(yùn)行。因?yàn)檫@兩項(xiàng)任務(wù)都是計(jì)算量很高的，利用任務(wù)并行化獲得的性能改進(jìn)為原來(lái)的1.8倍。

圖1 典型的LabVIEW應(yīng)用程序，展示了數(shù)據(jù)流編程的并行特性

　　LabVIEW支持嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，前面大部分討論都是針對(duì)如何平衡多核、多線程編程的復(fù)雜性，從而提高程序的性能和吞吐量。對(duì)于要求更加嚴(yán)格的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，這些考慮同樣適用。在典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，通常有一段代碼對(duì)執(zhí)行時(shí)間有嚴(yán)格要求，必須以指定速率持續(xù)而可靠地運(yùn)行。同時(shí)也有一些對(duì)執(zhí)行時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求的代碼段，比如用戶界面的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。顯然，對(duì)于執(zhí)行時(shí)間有嚴(yán)格要求的代碼或循環(huán)，應(yīng)用程序必須對(duì)它們特別關(guān)照，保證沒(méi)有沖突等問(wèn)題。

　　表面上看來(lái)，這個(gè)要求對(duì)于多核系統(tǒng)是一件非常簡(jiǎn)單的事情。只要將對(duì)于執(zhí)行時(shí)間有嚴(yán)格要求的代碼與其他代碼隔離，分配到獨(dú)占的處理器核上，就可以保證它不受影響地運(yùn)行。但是，許多實(shí)時(shí)或嵌入式操作系統(tǒng)并不支持在多個(gè)處理核之間的線程負(fù)載均衡，這是因?yàn)樵趯?shí)時(shí)和嵌入式領(lǐng)域的工具往往更關(guān)注性能和確定性，而減緩了對(duì)于多核的支持。

　　Intel定義了用戶需要評(píng)估的軟件四層次來(lái)確定多核系統(tǒng)的可用程度。如果所用的應(yīng)用程序庫(kù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)不是為多核而設(shè)計(jì)的，或者操作系統(tǒng)不能夠在多個(gè)處理核上進(jìn)行負(fù)載均衡，那么并行化程序在多核系統(tǒng)上是不能夠運(yùn)行得更快的。

　　操作系統(tǒng)，作為軟件層次的底層，許多實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)(RTOS)廠商現(xiàn)在還不支持在多個(gè)處理器核間進(jìn)行自動(dòng)的線程負(fù)載均衡。但是，從表1的表述可以看到，為了讓多核處理器在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中發(fā)揮出性能優(yōu)勢(shì)，在實(shí)時(shí)或嵌入式操作系統(tǒng)中必須支持多核處理器的任務(wù)分配。

　　LabVIEW的最新版本將針對(duì)多核處理器的自動(dòng)線程負(fù)載平衡功能引入到實(shí)時(shí)系統(tǒng)之中。

　　如果需要更進(jìn)一步的控制或微調(diào)實(shí)時(shí)程序的性能，在 LabVIEW 中, 可以使用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)將各部分代碼分配到指定的處理器核上。這意味著開(kāi)發(fā)人員可以把執(zhí)行時(shí)間有嚴(yán)格要求的代碼直接映射到專用的處理器核，從而保證這部分代碼不會(huì)被中斷，保持其實(shí)時(shí)性。

　　結(jié)語(yǔ)

　　LabVIEW為多核處理器提供了一個(gè)理想的編程環(huán)境，其數(shù)據(jù)流編程概念能夠更直接地將并行應(yīng)用可視化。LabVIEW自動(dòng)將并行的程序多線程化，而且它可以指派線程到指定的處理器核，也可以自動(dòng)平衡線程負(fù)載，從而利用多核架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以獲得更好的系統(tǒng)性能。LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊可以在實(shí)時(shí)或嵌入式系統(tǒng)中支持多核處理器的任務(wù)分配，幫助開(kāi)發(fā)人員從真正意義上進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的多核時(shí)代。