控制和監測應用的基準測試詳解

最新的NI CompactRIO軟件設計控制器cRIO-9068配有Xilinx Zynq片上系統(SOC)，它在同一機箱內集成了時鐘頻率為667 MHz的雙核ARM Cortex-A9處理器以及具有85K邏輯單元和220個數字信號處理片的Artix-7 FPGA。兩個處理器單元以ARM AXI-4技術為支撐，共享一千多個互聯點。 NI LabVIEW Real-Time使用的操作系統是ARM Cortex-A9上的NI Linux Real-Time OS。ARM Cortex-A9包含一個優化的網絡協議棧、一個優化的進程調度器以及一個可自動壓縮數據的高級文件系統。這些技術與LabVIEW系統設計軟件和NI-RIO驅動相結合，大大提高了系統的吞吐量，加快了數據記錄應用程序的數據讀寫速率，并降低了閉環控制的延遲，從而使得cRIO-9068成為CompactRIO高性價比產品家族中性能最高的成員。 NI研發部編寫了一系列控制和監測應用的基準測試代碼，用于證明該產品在性能和吞吐量上的大幅提升。

1. 基準測試設置和測量

NI研發部選擇了具有代表性的通用控制和監測應用以及這些應用中常見的主要任務進行基準測試。下表簡要介紹了本次研究所進行的測試。

表1. 在CompactRIO控制器上進行測試，測量應用程序的性能和吞吐量

這些測試在穩定的狀態下通過改變I/O通道數量和循環率來測量CPU使用率。通過比較兩個CompactRIO控制器的相對性能得出CPU使用率的平均值。這些參數可以幫助用戶了解添加代碼、提高循環率和增加I/O通道所需的資源。對于cRIO-9068中的雙核ARM Cortex-A9處理器，則對兩個內核的結果取平均值。

2. 控制應用性能基準測試

cRIO-9068將多種技術相結合，極大提高了真實復雜應用的性能。如果要測試一個復雜的控制場景，可選擇?CompactRIO的LabVIEW FPGA控制項目范例來開發三次樣條生成算法。然后將應用程序擴展到8個執行低于兩毫秒控制循環的并行通道進行算法計算。

圖1. CompactRIO的LabVIEW FPGA控制項目范例的架構框圖，包含三次樣條生成算法

將該基準測試部署到CompactRIO高性價比產品家族的成員NI cRIO-9074和新的cRIO-9068上。cRIO-9074占用72％的可用處理器時間，而cRIO-9068僅占用了11%。

圖 2. 比較運行一個控制應用程序所需的處理器時間，該應用程序在2 ms內運行八個通道的樣條插值

3. 監測應用吞吐量基準測試

我們設計了一個基準測試來測量cRIO-9068系統從I/O通道至實時應用的數據傳輸能力，數據傳輸是監控應用中的常見任務。每個I/O通道的數據流由以100 kHz速率傳輸的16位采樣數據組成。

現有的高性價比CompactRIO產品cRIO-9074占用了 46％的可用處理器時間來讀寫10個通道的I/ O數據流，而cRIO-9068只需7％。cRIO-9074以這個速率最多可讀寫25個I/O通道，而cRIO-9068則最多可達100個通道。

圖 3. 以100kHz每通道的速率讀寫10個通道的16位采樣數據所需的時間對比

cRIO-9068控制器令人贊嘆的數據讀寫性能大部分歸功于在FPGA和ARM處理器之間進行I/ O數據傳輸的高級AXI-4總線技術。如果單獨進行基準測試，該總線的數據傳輸速率可達300 MB/s，比PCI總線技術要快得多。PCI總線技術的最大理論帶寬大約為133.33 MB/s，應用于之前版本的CompactRIO控制器。

cRIO-9068提高的帶寬使得開發人員能夠同時運行多達16個的獨立DMA通道。與之前的CompactRIO控制器相比增加了超過3倍。