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作者：
NI中國 資深技術(shù)市場工程師 周斌
NI中國 資深技術(shù)市場工程師 周斌
NI中國 市場部經(jīng)理 朱君
目錄
儀器技術(shù)新時代
并行技術(shù)的涌現(xiàn)
虛擬儀器技術(shù)新紀元
更多相關(guān)資源
1. 儀器技術(shù)新時代
日新月異的科技發(fā)展與日趨激烈的市場競爭給工程師們帶來了持續(xù)的壓力和挑戰(zhàn)。
其中一個挑戰(zhàn)就是協(xié)議的多樣化，比如在通訊行業(yè)中，比起十年前，目前的通訊協(xié)議幾乎數(shù)不清（見圖1），而且沒有一個明顯的主導協(xié)議，因此最終產(chǎn)品就需要同時實現(xiàn)多個協(xié)議。如果按照原來的傳統(tǒng)方式，即一個測試儀器針對一個協(xié)議，那么很難想象會需要多少臺獨立儀器。
圖1 通訊行業(yè)并存著多樣的協(xié)議
產(chǎn)品功能的日趨集成化也是挑戰(zhàn)之一，我們拿新上市的iPhone為例（見圖2），它匯聚了多種功能， 不僅用來通話，也可以用作mp3、PDA、數(shù)字相機等等，并且為了保持市場的競爭力，新的功能會被不斷地加入。如果要跟上這樣的發(fā)展來進行產(chǎn)品的功能測試，顯然，功能固定的傳統(tǒng)測試方法已無法滿足靈活性的要求；而且如果產(chǎn)品功能每增加一個就意味著需要增加或替換一臺儀器來測試的話，這是工程師們所無法接受的。
圖2 產(chǎn)品功能日趨集成化
隨著科技的高速發(fā)展，上述的發(fā)展趨勢目前已愈加明顯，因此測試儀器也正在經(jīng)歷一個基本原則的變更——從功能固定的分立儀器向著靈活的基于軟件的模塊化儀器架構(gòu)轉(zhuǎn)變，而這也就是NI在20多年前提出的 “虛擬儀器技術(shù)”的概念。利用虛擬儀器技術(shù)的特性，我們可以有效地解決上述的挑戰(zhàn)：基于軟件的自定義功能使得工程師們可以針對不同的協(xié)議開發(fā)對應的測試程序；而模塊化的儀器架構(gòu)則可以根據(jù)不同的功能測試選用不同的模塊硬件，在同一個測試平臺上靈活地實現(xiàn)測試系統(tǒng)的集成。
目前，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)被應用在測試測量和自動化的各大領(lǐng)域，協(xié)助越來越多的工程師們來創(chuàng)建高性能、高擴展性的測試系統(tǒng)，可以說，一個儀器技術(shù)的新時代已經(jīng)來臨。
而與此同時，虛擬儀器技術(shù)本身也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新，縱觀其20多年來的發(fā)展歷程，我們可以看到，由于虛擬儀器技術(shù)是建立在商業(yè)可用技術(shù)的基礎(chǔ)之上，因此它能夠?qū)⑿屡d發(fā)展的科學技術(shù)都融合進來，使工程師能以最迅速和便捷的方式來享用，從而創(chuàng)建更高性能的測試系統(tǒng)。PC處理器技術(shù)的發(fā)展就是一個很好的例子：在1990年，用當時的PC(Intel 386/16)處理65000個點的FFT（快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本方法）需要1100秒時間，而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計算機實現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒，可以想見，這一技術(shù)上的飛躍對工程師們意味著多少曾經(jīng)的設(shè)想將成為可能。
以此類推，目前正在蓬勃發(fā)展著的新興技術(shù)也注定將成為推動虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的新動力，例如PCI Express總線技術(shù)可以讓更多的原始數(shù)據(jù)以更高的速度傳送給PC；而多核技術(shù)則可以實現(xiàn)真正的并行運算，從而直線提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理性能；可編程邏輯門陣列（FPGA）技術(shù)則允許工程師根據(jù)不同的測試要求通過軟件重新定制硬件的功能。因此，可以預見的是，這些主流的商業(yè)可用技術(shù)將讓虛擬儀器技術(shù)向許多之前只能用昂貴的專用設(shè)備的應用領(lǐng)域敞開了大門，從而開啟一個虛擬儀器技術(shù)的新紀元！
2. 并行技術(shù)的涌現(xiàn)
縱觀目前主流的商業(yè)可用技術(shù)，我們可以很明顯地看到，其發(fā)展的趨勢是通過并行拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)更高的性能，下面將針對它們進行更深入的探討。
（1）PCI Express 總線技術(shù)
傳統(tǒng)儀器由于將數(shù)據(jù)處理和分析的過程放在了儀器硬件內(nèi)部，因此它只能返回一個結(jié)果值，這種方式雖然方便，但是卻無法滿足之前已經(jīng)敘述過的靈活性的要求。因此，一個更好的測試方式就是直接得到原始數(shù)據(jù)，再使用專業(yè)的分析工具來分析數(shù)據(jù)，這種方式可以允許工程師們對原始數(shù)據(jù)進行多次的分析，從而不再需要做多次測試來獲得不同的分析結(jié)果，節(jié)省了時間和成本。
然而，隨著采樣率的不斷提高和通道數(shù)的增多，現(xiàn)有的總線帶寬能否進行原始數(shù)據(jù)的實時讀取，這是實現(xiàn)很多新興測試應用之前就需要解決的問題。
回顧現(xiàn)有的總線技術(shù)，可以看到PCI總線的數(shù)據(jù)傳達吞吐率可以高達132兆/秒，這個相比其他總線已經(jīng)屬于相當高了，并且還具有最低的延時（圖3）。然而它是一個共享資源的總線，也就是說，當多個設(shè)備同時在總線上傳輸數(shù)據(jù)時，每個設(shè)備可享受的帶寬會相比例地降低。隨著I/O速度和應用要求的提高，這樣的架構(gòu)成為了瓶頸。而新一代的PCI Express技術(shù)，它運用了點對點總線的拓撲架構(gòu)，使每個儀器可以通過獨立的通道向處理器傳輸數(shù)據(jù)，明顯地改善了傳輸數(shù)據(jù)的帶寬，極小化了對內(nèi)存的需求，并加快了數(shù)據(jù)流的傳輸（圖4）。
眾所周知，在通信背板上添加的PCI總線是推動PXI得到快速應用的一個關(guān)鍵因素。現(xiàn)在，隨著商用的PC技術(shù)從PCI總線發(fā)展到PCI Express，PXI也已經(jīng)將PCI Express結(jié)合到PXI標準中，即PXI Express（圖5）。PXI Express不僅保留了PXI的定時和同步等特性，還加入了很多新的同步特性，甚至還提供了微分系統(tǒng)時鐘，微分信號以及微分星觸發(fā)等。
圖3 總線帶寬與延時比較
圖4 PCI與PCI Express總線對比
圖5 PXI Express機箱
值得一提的是，PXI Express標準還提供了向后的軟件兼容性，這樣工程師們就可以充分利用他們在已有軟件系統(tǒng)中所開發(fā)的成果。此外，NI提供的PXI Express混合插槽可以同時支持PXI和PXI Express兩種總線形式的模塊，從而更好地保留了過去的投資。
總言之，PCI Express技術(shù)的誕生使得虛擬儀器技術(shù)可以實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)吞吐率有高要求的應用，例如汽車碰撞測試的高速圖像采集或高速數(shù)字I/O應用等等。
（2）多核處理器技術(shù)
PCI Express技術(shù)提高了總線帶寬和數(shù)據(jù)吞吐率，使得工程師可以獲得原始數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)的分析工具拿到可靠的測試結(jié)果。不過近年的數(shù)據(jù)量快速增長，導致對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析成為擺在工程師們面前的又一個問題。在過去的很多年來，我們都可以無需改變?nèi)魏尉幊碳纯赏ㄟ^升級CPU處理器來享受運算性能的提升，而現(xiàn)在，這種“免費的午餐”即將結(jié)束。
以往計算機處理器都是單純通過提高主頻來提高處理器的運行速度，正如摩爾定律所陳述的：每隔24個月，晶體管的數(shù)量將翻番。但目前受制于功率的因素，單純提高主頻的方法已不再可行（圖6），一個新的架構(gòu)正孕育而生，那就是多核。
圖6 處理器速度的發(fā)展趨勢
多核處理器技術(shù)能夠提高傳統(tǒng)的測試算法的運行速度，但是不同于以往的單核，為了實現(xiàn)性能的提高，開發(fā)人員需要在應用軟件里配置線程。從圖7中可以看到，即使是在四核的處理器上，如果其應用只是單線程的話，操作系統(tǒng)仍舊會將所有的任務(wù)分配到其中的一個核上運行?？梢?，為了實現(xiàn)在多核處理器上程序性能的提升，就必須將你的應用程序分成多個線程，再由OS協(xié)調(diào)分配在不同的核上運行，這樣才能最大限度的利用多核處理器并行的優(yōu)勢來提升性能。
然而，這對于許多習慣于開發(fā)單線程應用的開發(fā)者來說都是一個極大的挑戰(zhàn)。如果工程師使用的是基于文本的編程語言，如C語言，那么在進行多線程應用軟件的編寫時，需要專門的語義創(chuàng)建和管理線程，并且在線程安全方式下進行數(shù)據(jù)的傳送。
圖7使用多線程編程才能最大限度地利用多核處理器的性能
而NI LabVIEW，就非常適合于創(chuàng)建并行的多線程應用。首先，相比文本編程語言的至上而下的順序結(jié)構(gòu)，LabVIEW本身就是一種并行的編程結(jié)構(gòu)；其次，早在LabVIEW 5.0時LabVIEW就已經(jīng)支持多線程，在LabVIEW程序編寫完畢后，LabVIEW編譯器可以自動地識別線程并創(chuàng)建線程到不同的任務(wù)和循環(huán)上，再由OS分配到不同的核上運行（圖8）。而最新的LabVIEW 8.5更針對多核技術(shù)進行了全面的支持；此外，在實時操作系統(tǒng)中，用戶還可以自己分配特定的線程在特定的核上運行，如圖9所示。
而且，隨著更多的核的到來，LabVIEW 可以自動創(chuàng)建更多的線程來自動提升程序的性能。簡單來說，就是當你把測試系統(tǒng)的控制器升級為更多核的處理器時，不需要對程序做任何修改，測試系統(tǒng)就能自動達到更高的處理性能。
圖8 使用LabVIEW方便實現(xiàn)多線程編程
圖9 LabVIEW 8.5允許用戶手動分配線程在指定的核上運行
綜上所述，多核處理器使用了并行拓撲架構(gòu)來提高處理能力，而真正的多線程編程語言，如LabVIEW，可以幫助我們輕松實現(xiàn)真正的運算性能的提高。
（3）FPGA技術(shù)
虛擬儀器技術(shù)最初的一個重要特性就是可以使用軟件來定制硬件的功能。隨著LabVIEW作為并行化的編程語言的地位逐漸穩(wěn)固，它的應用也得到了不斷的擴展，并對強大的并行硬件技術(shù)FPGA提供了強有力的支持。
發(fā)明于80年代中期的FPGA技術(shù)是扎根于簡單的可編程邏輯上，一塊FPGA芯片包含了一個可重置的門陣列邏輯電路，內(nèi)部電路如何連接是通過軟件來實現(xiàn)開發(fā)和部署。
通常來說，F(xiàn)PGA的軟件開發(fā)平臺是使用VHDL語言來實現(xiàn)，但是這種語言需要很長的學習時間，并且也需要深厚的硬件技術(shù)背景，因此只有少數(shù)的一些專業(yè)人員掌握。隨著可編程硬件的需求日益增長，F(xiàn)PGA已成為一種主流的技術(shù)，這種趨勢需要我們能夠有方法降低FPGA編程的門檻，從而將FPGA技術(shù)帶給更多的工程師。
LabVIEW的并行化的編程方式以及圖形化的編程環(huán)境可以允許工程師們能以直觀的方式來實現(xiàn)FPGA的邏輯功能。例如，使用LabVIEW，在FPGA中實現(xiàn)圖10所示的邏輯功能就變得相對簡單。
當然，如果要搭建一個完整的測控平臺，我們還需要有很多不同的IO模塊來選擇。NI提供給工程師們完整的基于FPGA的商業(yè)可用型平臺以供選擇，讓工程師們能夠利用這一技術(shù)實現(xiàn)更高性能的測試應用。
圖10 使用LabVIEW實現(xiàn)FPGA邏輯功能
3. 虛擬儀器技術(shù)新紀元
最后，讓我們一起來展望一下未來虛擬儀器技術(shù)的藍圖。
PCI Express總線的高帶寬將虛擬儀器技術(shù)的應用范圍擴展到更多新興的應用，從而使工程師們能夠在享受高通道、高采樣率的好處同時，又可根據(jù)自身需要靈活定制相關(guān)功能。
Intel已經(jīng)許諾了在2011年會推出80個芯核的CPU，而NI LabVIEW也已經(jīng)做好了迎接這一豐盛饕餮的準備，工程師們可以在不改變程序的同時，充分提升數(shù)據(jù)分析和處理的性能。
而利用基于FPGA的平臺，工程師們可以對硬件進行重新配置，它可以靈活地根據(jù)待測單元、軟件或者是測試需求的變化來進行重新配置。
綜上所述，新的技術(shù)不斷地被吸收和融合，成為推動虛擬儀器技術(shù)飛躍的源動力。這一次，PCI Express、多核以及FPGA等并行技術(shù)將扮演開啟虛擬儀器技術(shù)新紀元的角色，從而推動它成功實現(xiàn)這一次的騰躍！
4. 更多相關(guān)資源
中文網(wǎng)頁：全方位了解 PCI EXPRESS
技術(shù)文檔：LabVIEW的前世今生
在線研討會：LabVIEW FPGA 模塊簡介視頻演示
下載/索取：LabVIEW評估版 