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二十世紀一位很有影響力的建筑設計師Frank Floyd Wright曾經說過：“每個偉大的建筑設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設計師們。在他們設計、開發和實現系統的時候，他們必須理解不斷進步的技術，如多核處理器、現場可編程門陣列(FPGA)和高速數據總線，如PCI Express等等。通過將這些技術與NI LabVIEW并行化編程軟件及NI TestStand編程管理軟件結合在一起，測試工程師們可以創建出高性能的測試系統，用于并行化處理、并行化測量，甚至于在生產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，用戶可以將測試速度提高到傳統儀器的10倍以上。 并行化處理 在傳統CPU設計中，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具有多個處理核心的新型處理器。在自動化測試應用中，為了充分發揮多核技術在性能和吞吐量上的優勢，必須針對多個處理核心編寫軟件應用程序，即創建出在多個處理核心上分別執行的多個線程。 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建獨立的執行線程 利用基于文本的編程語言(如ANSI C等)編寫多線程應用程序，對于多數設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據。利用LabVIEW圖形化編程環境，工程師們可以充分發揮出多核處理的計算性能。如圖1所示，在LabVIEW中，兩個沒有數據依賴關系的循環會自動在獨立的線程中執行，而開發者不需要考慮線程管理等細節內容。如果需要了解如何利用多核處理器的應用案例，請閱讀名為《使用多核處理器和NI LabVIEW來最優化自動測試應用》的白皮書。 對于特殊的數據操作和信號處理而言，為這些任務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嵌入式技術對LabVIEW圖形化開發進行了擴展，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據流表示方法，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計。用戶可以借助于個性化的并行化硬件來進行實現特殊的定時和觸發例程、超高速控制、與數字協議進行接口、數字信號處理(DSP)和其它許多需要高速的硬件可靠性和確定性的應用。 使用FPGA，用戶可以實現協同處理的應用(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)和點對點流盤技術的出現，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FFT在內的協處理應用的性能得到提高 并行化測量 并行化測量要求測試系統中所有的子部件都支持并行化的模型，而不只是處理器。其中包含了數據的采集和傳輸。 圖3.PCI Express實現了專用帶寬而非共享式數據傳輸，進而顯著提高采集和傳輸到硬盤的數據數量 現在，模塊儀器中最常用的數據傳輸總線包括PCI、USB、以太網和GPIB，但是它們都不支持真正的并行化數據傳輸模型，因為總線上的設備共享總線的帶寬。如果I/O設備采集或生成的累計速率比總線可用的速率高，那么將造成數據的丟失。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設備上集成大容量的板上存儲器作為緩沖區，這樣在等待通信總線可用的過程中，數據就不會丟失了。 相反，PCI Express是最新的高性能數據傳輸總線，它為每個設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化通信總線都要大。可用的PCI Express總線有x1、x4、x8和x16(發音為“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，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整的模型 在PXI Express模塊采集數據時，它通過專用的PCI Express通道將數據從板上存儲器寫入到硬盤驅動器或者系統存儲器中。當數據被傳輸到系統存儲器中時，LabVIEW應用程序可以訪問數據，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，用戶可以創建并行化的測量系統，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，但是開發并行化測試系統的復雜性是非常巨大的。開發測試管理軟件以實現同時測試多個待測單元，需要理解底層的操作系統并行化工作的原理(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。 從頭開發自定義的并行化測試系統的替代方案是使用即時可用的測試管理軟件，如NI Teststand。該軟件使用內建的特性，對并行化測試系統開發中底層的復雜度進行了抽象化，用于在多個線程中執行并行化的測試序列，同時對操作系統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的執行，進而降低測試時間并提高吞吐量。Resource Profiler工具可對測試系統執行進行分析，并且確定儀器的瓶頸來幫助用戶優化測試代碼，區分未來儀器投資的優先順序。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工具幫助開發者理解并行測試系統的執行， 進而提高了系統的吞吐量 為了解釋采用并行化測試構架的性能優勢，請考慮比較使用PXI平臺和傳統儀器來實現基本的WCDMA測試序列。與W-CDMA測試標準一致，基準應該包含測量(如相鄰信道功率(ACP)、占用帶寬(OBW)、補償累積分布函數(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。這可以顯著地節省終端用戶的開銷。需要了解更多關于基準分析的信息，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 完成并行測試構架 多核處理器、FPGA和PCI Express正在改變現代PC機的版圖，并幫助LabVIEW圖形化編程根據工程師應用邏輯的數據流向，實現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架。具有此結構的測試系統利用PCI Express提高了數據吞吐量，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。 |
