LabVIEW更高的吞吐量与更少的延迟2

上一篇《LabVIEW更高的吞吐量与更少的延迟1》介绍了吞吐量的内容，本次介绍延迟的相关内容。

改善延迟

有一些技术可以解决改善延迟的问题。围绕这一目标的两个主要工具是实时操作系统和FPGA。

实时操作系统

任何操作系统都会遇到抖动或延迟变化。普通操作系统（如Windows）旨在尽可能公平地运行所有程序。为了促进这种公平性和时间共享，当操作系统循环运行其他进程时，给定程序中经常会出现抖动。抖动可以采取持续几毫秒的停顿形式，甚至长达数十秒。如果在某些情况下，抖动实际上是无限的。这种抖动限制了通用操作系统在以高度规律性执行任务时的有用性。这是因为它们是为公平性而不是可重复性而设计的，并且给定的任务在执行时间上会有很大的变化。

实时操作系统（RTOS）不是为了公平性而设计的，而是为了通过限制抖动来实现可重复性。这些例子包括Pharlap，VXWorks和R TLinux。操作系统的体系结构的目标是使给定的操作在固定时间内执行。这样，执行任务所需的时间是非常可预测和有规律的，抖动非常小。

通过额外的努力来减少抖动，RTOS上的一些操作平均比通用操作系统上的执行时间更长。但是，执行时间的实际上限可能要低得多。

图：在两个操作系统上运行的控制环路的模拟环路时间。

顶部：通用操作系统的循环时间变化很大，没有实际的上限（绿线）。

底部：实时操作系统的平均值较高（红线），但抖动较少。这使其能够以更高的速率可靠地使用。

通用操作系统由于其高抖动，不适合应用于许多具有时序要求的应用。但是使用实时操作系统，PC可以部署到原本无法部署的情况下，因为它的执行时间更规律。尽管平均执行时间较长，但统计分布更窄，因此更可预测。最终效果是PC架构在无法以其他方式部署的应用程序中的能力得到增强。

虽然RTOS通过限制延迟的变化来提高PC的实用性，但它并没有降低其平均延迟。在需要大幅降低延迟的情况下，RTOS是不够的。

FPGA和延迟

已经开发了另一组工具来减少延迟。FPGA或现场可编程门阵列由基本节点的硬件“结构”组成。这些节点可以通过软件链接在一起以定义其行为，并轻松重新配置。FPGA具有硬件提供的极其精确的时序和可靠性以及软件开发的便利性。

将算法放在FPGA上可以缩短从信号到算法的行程。在FPGA上，两个主要的延迟是ADC采样和算法的计算。此外，该算法的速度要快得多，因为它位于FPGA的硬件结构中，而不是软件执行系统中。它具有软件的灵活性，因为不需要对设备进行物理更改来更改其行为，但具有硬件的速度，以高达（目前）兆赫兹范围的时钟速率执行。

图 PGA架构和较短的算法行程（显示缓冲区的可选用法）

FPGA应用中的缓冲器是可选的-通常只包含在需要它们的计算中，例如FFT。不带缓冲器的FPGA代码是延迟最低应用最常选择的架构，在这些应用中，在给出输入后需要尽快获得结果。像这样的应用往往会尽快提供输出结果，就像在高速控制系统中一样。

FPGA和吞吐量

虽然在上一节中没有提到，但FPGA也是实现高吞吐量处理的有用工具。高吞吐量处理在FPGA上是可能的，因为算法是在硬件中执行的。通常，滤波、FFT或信号等预处理步骤在FPGA上运行，然后数据被缓冲并传递到主机PC。

如果同时想要高吞吐量和低延迟，该怎么办？

值得注意的是，大多数提高吞吐量的更改通常会对延迟产生负面影响。增加延迟的因素也会对吞吐量产生负面影响。可以同时满足两者的高度，但通常只能使用专用硬件或FPGA。幸运的是，大多数应用程序都需要其中之一，而不是两者兼而有之。

示例用例

想记录来自测试单元的振动测量值。有十几个应变通道，希望以至少50kHz的速度采样。对于NI硬件，可以使用DAQ设备来实现这，例如C系列NI-9237或PXI-4497。

对于此应用，采样速率很高，比软件定时要快得多。这是需要高吞吐量的系统示例。只要所有数据都到达日志文件，当发生这种情况时，它就不重要。因此，延迟不是主要问题。根据这些要求选择硬件时，吞吐量将是主要要求。FPGA并不重要，但需要高吞吐量、通道数、采样速度和磁盘空间。对于NI硬件，可以使用DAQ卡来实现这，例如C系列9237或PXI4497。

想为无人机运行基于模型的控制，这些循环时间中最快的需要在亚毫秒级别执行。该回路仅取决于一个传感器，但它对于在该时间执行的飞行器的稳定性至关重要。

涉及的通道并不多，尽管采样率需要高于软件定时速率，但吞吐量并不是主要问题。主要关注点是及时提供输出以满足固有的时序要求。因此，这是一个需要非常低延迟的应用程序示例。因此，将需要低延迟硬件，例如FPGA。如果要处理此应用程序，可能会从单板RIO开始。

想模拟射频通道。有一个4x4MIMO信号，并希望有一个系统模拟传输通道。希望测试实时运行。

该系统必须采集数据，对其进行处理，并在非常严格的时间间隔内返回结果。它还必须在多个通道上处理非常高的采样率。这是高吞吐量和低延迟应用程序的示例。对硬件的要求将是严格的，几乎肯定会需要专用硬件或强大的FPGA。借助NI硬件，可以使用NI矢量信号收发器（VST）完成这是最新的具有1GHz瞬时带宽，或者使用NI矢量信号分析仪（VSA）和随附的FlexRIOFPGA协置处理器。

想为飞机模拟飞行动力学模型，以便可以用它来测试飞行控制器。有数百个传感器和执行器，模型需要以至少1KHz的速率执行才能获得保真度。

该仿真系统对交付结果有严格的时序要求。由于如此高的通道数，它还具有高吞吐量。因此，此应用程序需要高吞吐量和低延迟。借助NI硬件，可以使用高速PXIExpress控制器（如PXIe-8135）和合适的I/O模块（部分包括FPGA）。

想获取一组压力和温度来监测设施的环境。速率不会超过每秒一个样本，预计每个样本之间的差异很小。使用这些值，将进行一些日志记录，并在值超出范围时发出警报。

此应用程序没有高吞吐量，因为数据速率很慢。它也没有严格的时序需求，因此不需要低延迟。软件时序足以满足此应用程序的需求。对硬件的要求并不严格，各种低成本的选择是可行的。

所以在设计一个系统时，“速度”有两个含义。“需要多快采集样本？”通常转化为吞吐量。“样本后需要多快获得结果？”通常转化为延迟。

需要说明的是，上述的例程和文档，都是可以下载的，双击即可打开，其中压缩文件是可以采用粘贴复制的方式，拷贝到硬盘上。这不是图片，各位小伙伴看到后尝试一下，这个问题就不用加微信咨询了。有关LabVIEW编程、LabVIEW开发等相关项目，可联系们。附件中的资料这里无法上传，可去公司网站搜索下载。