Prawo Moore'a w sprzęcie do automatycznego testowania

Rys. 1. LabVIEW umożliwia zaprojektowanie systemu testującego wykorzystującego najnowsze możliwości i produkty, takie jak wielordzeniowe procesory, zapewniając w ten sposób przyrost wydajności wynikający z prawa Moore’a, mającego zastosowanie w przypadku produktów COTS

Prawo Moore'a pokazywało, jak zmieniała się wydajność i malały koszty produkcji urządzeń elektronicznych na przestrzeni ostatnich pięćdziesięciu lat, i weszło do kanonu reguł określających tempo rozwoju elektroniki. Niestety, rozwój automatycznych systemów testujących, bazujących na tradycyjnym sprzęcie pomiarowym, nie odbywał się w tak szybkim tempie, co powodowało, że coraz trudniej było spełnić wymagania w zakresie wydajności i kosztów produkcji.

Szybszy rozwój w innych dziedzinach technologii umożliwił wykorzystanie w systemach testujących modułowego sprzętu pomiarowego oraz oprogramowania. Takie rozwiązanie na przestrzeni lat poddaje się prawu Moore'a, oferując obecnie wielokrotnie lepsze parametry niż dawniej. Zintegrowanie możliwości obróbki danych oferowanych przez najnowsze procesory, układy FPGA i przetworniki analogowo-cyfrowe w ramach jednego przyrządu pomiarowego nie jest łatwym zadaniem, zwłaszcza bez posiadania dopracowanego oprogramowania zarządzającego pracą takiej platformy.

Z tego powodu firma National Instruments stale inwestuje w rozwój narzędzi tak, aby wykorzystywały one najnowsze zdobycze techniki. Zdaniem specjalistów NI można wyróżnić cztery najważniejsze elementy, które określają postęp rozwoju systemów testujących w tempie określanym przez prawo Moore'a. Są to: graficzne oprogramowanie, modułowe urządzenia pomiarowe PXI, rekonfigurowalne moduły wejść/wyjść z układami FPGA oraz zintegrowana komunikacja i synchronizacja.

Graficzne oprogramowanie

Najbardziej istotnym elementem zapewniającym szybki wzrost wydajności i funkcjonalności platformy testowej jest systemowe podejście do oprogramowania i platformy sprzętowej. Kamieniem milowym w rozwoju tej dziedziny było pojawienie się na rynku w 1986 roku środowiska LabVIEW, które umożliwiło programowanie w sposób graficzny i zapewniło spójne sterowanie przyrządami pomiarowymi z poziomu komputera PC.

Unikalną cechą LabVIEW było zapewnienie korelacji pomiędzy interfejsem użytkownika, zmiennymi programu i zarządzaniem przepływem danych w aplikacji. W systemach pomiarowych i testujących wykorzystuje się dzisiaj produkty COTS (Commercial Off -The-Shelf), a więc najnowsze technologie komercyjne, które są stosowane w aplikacjach przemysłowych. Dzięki temu w zastosowaniach tego typu można wykorzystywać procesory wielordzeniowe, układy FPGA, systemy operacyjne czasu rzeczywistego, strumieniową transmisję danych pomiędzy urządzeniami z redundantną dyskową pamięcią masową.

Korzystanie z tych funkcji nie byłoby możliwe bez LabVIEW. Na rozwój graficznego środowiska programistycznego wpływa ciągle rozszerzająca się funkcjonalność bibliotek, modułów do zaawansowanej analizy sygnałów oraz rozbudowa narzędzi raportowania (w tym trójwymiarowych elementów interfejsu użytkownika), co zapewnia szybki postęp i rozwój zgodny z prawem Moore'a.

Przyrządy modułowe PXI

Rys. 2. Wysoka wydajność 6,6 GHz analizatora sygnałów wektorowych PXIe-5630 jest doskonałym przykładem, że prawo Moore’a znajduje zastosowanie w aplikacjach testujących

Budowanie automatycznych systemów testujących, umożliwiających weryfikowanie działania i jakości najnowszych urządzeń elektronicznych, wymaga połączenia w jednym systemie wydajnej aparatury pomiarowej, magistrali komunikacyjnej, jednostki przetwarzania danych oraz pamięci masowej. Dlatego w 1997 roku NI wprowadził na rynek przełomowe rozwiązanie: platformę sprzętową PXI, która pozwoliła spełnić te warunki.

Pierwszy komputer PXI, sprzedany w 1998 roku, bazował na Pentium MMX 233 MHz i 128 MB pamięci RAM. Obecnie standardem dla PXI jest czterordzeniowy procesor Intel Core i7 z 8GB pamięci RAM, który zapewnia 134 razy większą wydajność przetwarzania mierzoną w GFLOPS-ach. Dodatkową zaletą PXI jest kompatybilność wsteczna, stanowiąca celową strategię firmy. Zakłada ona zapewnianie zgodności ze starszymi produktami.

Aktualnie, w użyciu znajduje sie około 100 tysięcy systemów, wykorzystujących około 600 tysięcy modułów wyprodukowanych przez ponad 560 różnych firm, co dowodzi, że jest to sprawdzone rozwiązanie. Katalog produktów PXI obejmuje około 1500 rożnych modeli sprzętu pomiarowego i sterującego. Pokazuje to, iż jest to platforma sprzętowa, która może stanowić bazę dla każdego systemu automatycznego testowania i dowolnej aplikacji.

Rekonfigurowalne moduły wejść/wyjść oparte na układach FPGA

Trudności z zapewnieniem chłodzenia oraz zwiększaniem wydajności procesorów, wynikające ze wzrostu częstotliwości zegara powyżej 3 GHz, spowodowały pojawienie sie na rynku jednostek wielordzeniowych, za pomocą których dane przetwarzane są równolegle. Takie podejście umożliwiło dalszy rozwój wydajności komputerów zgodny z prawem Moore'a. W przypadku automatycznych systemów testujących jednostki te wspomagane są dodatkowo wydajnymi układami cyfrowymi bazującymi na FPGA, które realizują wstępną obróbkę sygnału na poziomie sprzętowym.

Dzięki możliwości przetwarzania sygnału w modułach z układami FPGA uzyskuje się ogromny przyrost wydajności, znacznie większy niż można by osiągnąć, opierając się na zwykłych procesorach i architekturze PC. NI jest liderem wykorzystania FPGA w testowaniu automatycznym, a pierwsze produkty tego typu pojawiły sie na rynku już w 2003 roku. Układy FPGA są obecne w produktach z serii R, CompactRIO oraz FlexRIO, gdzie odpowiadają za stworzenie definiowanej przez użytkownika wstępnej części przetwarzania danych pomiarowych.

Zintegrowana synchronizacja oraz komunikacja w systemie

Rys. 3. NI FlexRIO jest przykładem bazującej na oprogramowaniu modułowej aparatury pomiarowej, zapewniającej wysoką wydajność i elastyczność uzyskaną dzięki oparciu sprzętu na układach FPGA (także programowanych za pomocą LabVIEW)

Ostatnim elementem infrastruktury automatycznego systemu testującego, który ma wpływ na jego parametry i pozwala osiągnąć wymaganą wydajność, jest zintegrowany układ synchronizacji. Połączenie w jedną całość oprogramowania i sprzętu wymaga odpowiednich zależności czasowych, pozwalających na synchronizację działania bloków sprzętowych, a także na szybką transmisję danych pomiarowych oraz działanie systemu w czasie rzeczywistym.

W LabVIEW dostępnych jest wiele mechanizmów zapewniających taką funkcjonalność, czego najlepszym przykładem mogą być struktury pętli czasowych (Timed Loop), umożliwiające dokładną kontrolę ograniczeń i zależności czasowych w programie oraz nadawanie priorytetów i konfigurację źródeł taktowania. Możliwe jest synchronizowanie działania wielu pętli czasowych w ramach pojedynczego systemu tak, aby całość stanowiła rozproszony system czasu rzeczywistego.

Mechanizmy te są dostępne na platformie PXI. Obudowa systemu PXI zawiera płytę główną wyposażoną w szyny PCI i PCI Express wspomagane liniami taktującymi oraz transmitujące sygnały wyzwalania, które zapewniają prawidłową synchronizację czasową.

Prawo Moore'a w 2010 roku

Specjaliści firmy Intel uważają, że jeszcze przez 10 lat uda się zapewnić przyrost wydajności komputerów zgodny z prawem Moore'a, a niektórzy są zdania, że nowe architektury, bazujące na przykład na kwantowych procesorach czy nanoprzewodach, spowodują, iż wzrost mocy obliczeniowej komputerów będzie następował szybciej, niż określa to wspomniana zależność. Firma National Instruments jest przygotowana, aby oferowana architektura i elementy składowe systemów testujących sprostały aktualnym wyzwaniom środowiska przemysłowego i naukowego.

Richard McDonell
richard.mcdonell@ni.com

Aby dowiedzieć się więcej o aparaturze pomiarowej i systemach testujących, zapraszamy do odwiedzenia strony ni.com/automatedtest

National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com/poland