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嵌入式技術  

利用繪圖系統設計工具發揮多核心處理器性能

上網時間: 2006年11月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:多核心  處理器  繪圖設計工具  即時作業系統  概念驗證 

多核心設計的關鍵步驟之一是開發出一種完整明確的軟體設計方法論,以充分利用多核心處理器提供的性能和靈活性,同時還能夠管理多核心處理器編程的複雜性。這種方法論包括以下兩大主要部份:

軟體工具流程─鑒於多核心設計編程複雜性,從概念到自演算法研究開始的最終設計,一直到軟體原型和最終部署,整個過程中軟體工具流程都是最關鍵的部份。

即時作業系統(RTOS)除了可在任何平台上進行執行緒處理和優先等級安排外,RTOS還能管理硬體擷取層、處理諸如進程間通訊機制、共享記憶體數據基礎架構和同步源。

繪圖系統設計為單處理器和多核心設計嵌入式系統開發提供了諸多優勢。設計專案可擴展為多核心,同時保存即時行為和數據完整性。這對設計專案複雜性不斷提升,且需要更多良好性能的設計人員來說是一項很大的優點。

使用繪圖設計工具

眾所周知,在嵌入式系統設計中,隨著應用的整體複雜性逐步攀升,程式碼行數也迅速增加。另一方面,透過使用兩個處理器取代單處理器來加強管理對編程開銷並無幫助。

在單處理器和多核心設計中,精簡嵌入式系統編程複雜性的一種方法是選擇一個基於繪圖方案的軟體工具流程。這種方法的優勢在於許多基於繪圖的工具如LabVIEW,本身都具有處理複雜編程和時序的能力。

這意味著嵌入式開發人員可以把精力集中在關鍵的程式碼(如應用IP本身)上,以與其它嵌入式設計區別,而不是浪費在一些低層次的細節上。

圖1為如何利用繪圖方案精簡編程複雜性的範例。該例採用了兩個迴路結構,其中包含了平行執行的濾波器任務和快速傅立葉變換任務。以這種方式使用LabVIEW迴路,把應用劃入具有用戶定義的優先級和執行速率的獨立執行緒中。在多核心設計中,這些執行緒從LabVIEW切換到OS,由後者處理兩個處理器之間的負載平衡。繪圖系統設計是一種在嵌入式設計環境中利用繪圖編程的方法,該方法包含了三個主要階段:設計、原型建立和部署。其概念核心是充分利用各階段間的程式碼再使用,因而縮短嵌入式設計週期。

第一個階段是以用來描述系統演算法和功能的形式來設計初始應用IP。設計該IP可以採用多種高層次的視窗。

例如,工程師可利用基於模型的視窗來描述控制任務,利用數據串流和數學公式來描述數位訊號處理。而LabVIEW提供這些不同的功能視窗,包括基於文件的數學公式、連續時間模擬、狀態圖以及來自相同開發環境的繪圖數據串流模型。

加州大學柏克萊分校嵌入式軟體平台研究負責人Edward Lee把這些不同的視窗視為運算模型。這些運算模型與系統設計人員的考量一致,協助把轉換工作量(從系統指標到軟體設計轉換)減到最小。在設計建立後,無論採用什麼方法解決這個問題,工程師都能夠在硬體原型製作前對設計進行軟體模擬。


圖1:LabVIEW中的定時迴路平行執行任務

繪圖系統設計的第二個階段是原型製作。在本例中,原型這個術語並不是指最終定製嵌入式設計初期所作的事情,此處指的只不過是功能上的實驗原型。

這一過程包括擷取設計階段製作的程式碼,並利用現成處理器和I/O模組在實際環境中驗證設計。在設計過程早期利用COTS硬體設立原型具有以下優點:

1. 工程師不必立即佈置定製印刷電路板的版圖,也不用因為軟體的不斷升級而被迫費時重新進行硬體設計,而是能夠在把軟體設計提交給硬體組之前就完全對之進行驗證,這就使工程師可以在設計流程的後期,即在已知對CPU的要求時,才開始根據成本和性能來選擇目標硬體。

2. 工程師能在以後的設計中對COTS原型硬體進行重新編程和再使用,而不僅僅限用於目前的設計。

3. 量較小時,基於簡單COTS原型進行系統的實際實現可能是有意義的。隨後,經濟規模使量產嵌入式系統有利可圖時,工程師就能採用定製硬體來實現設計。

在原型設立之後,最後一個階段是部署。設計和原型製作階段中所用的繪圖程式碼再一次被再使用,因而,源自初始概念驗證的所有IP都透過演算法被保存,但由硬體版圖的要求把應用和定製週邊設備整合在一起的情況例外。

充分發揮多核心性能

為了對用LabVIEW編程的嵌入式設計中的多核心處理器提供全面的支援,工程師可以採用一個RTOS(本例中為QNX Neutrino)。

利用一個負責多核心處理功能的RTOS,工程師可實現對稱多處理,其中,作業系統能夠在多個核心上同時安排各種進程活動,實現真正的平行處理。

LabVIEW‘虛擬儀器’(VI)的開發人員可利用多個同步執行路徑進行設計,無需任何特殊編碼或設計技巧就可立即提高運算能力,縮短數據處理時間(見圖2)。


圖2:單核心和多核心處理方案之間的比較

採用ONX Neutrino時,LabVIEW不需要做額外的工作就可發揮多核心處理器的優點,因為RTOS可進行自動管理。同樣地,由於無需改變任何LabVIEW程式碼,程式碼從單個處理器移植到多核心設計過程得以大幅簡化。

利用LabVIEW嵌入式開發模組開發Neutrino目標系統時的另一項優勢,是系統設計人員一直到計劃設計後期才需選擇目標CPU。

設計人員在完成設計和原型製作階段不必擔心目標硬體。接下來,在確定所需的CPU性能之後,開發人員才開始選擇單核心或是多核心。

需注意的是,圖2中LabVIEW VI在兩種情況下都是相同的。為了幫助最佳化性能,由QNX提供繪圖工具來測量單核心或多核心目標系統上的CPU負載。

作者:Randy Martin

   產品市場經理

   QNX Software Systems公司




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