嵌入式系统中的并行编程模型：汇总解析与应用

概述：随着嵌入式系统处理能力的不断提升，并行编程在其中的应用愈发广泛。本文深入探讨了多种专门为嵌入式设计的并行编程模型，包括任务队列模型、消息传递模型、数据并行模型、异构多核并行模型、实时任务调度模型以及函数式并行模型。详细阐述了各模型的原理、优缺点、适用场景，并提供了相应的 C++ 源代码示例及典型开源库介绍，旨在为嵌入式系统开发人员在选择和应用并行编程模型时提供全面的参考与指导，助力其更高效地开发嵌入式并行应用程序。

一、任务队列模型

任务队列模型将需要执行的任务放入一个队列中，由多个线程从队列中获取任务并执行。这种模型可以有效地管理任务的分配和执行顺序，避免了线程之间的直接依赖和复杂的同步问题。

（一）优点

能灵活地分配任务，可根据系统的负载动态调整任务的执行顺序和分配方式。当有新任务加入队列时，空闲线程可以及时获取并执行，提高了系统的资源利用率和响应速度。

（二）缺点

需要额外的内存来存储任务队列和任务的相关信息，增加了一定的内存开销。如果任务之间存在依赖关系，需要在任务的设计和调度中进行额外的处理，以确保任务的正确执行顺序。

（三）适用场景

适用于处理多个相对独立的任务，如传感器数据的采集和处理。不同的传感器数据采集任务可以作为独立的任务放入队列，由多个线程并行处理，提高数据采集和处理的效率。

（四）C++ 源代码示例

#include <iostream>
#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>std::queue<int> task_queue;
std::mutex mutex_queue;
std::condition_variable cond_var;void fibonacci_task(int n) {if (n == 0) {std::cout << "0 ";return;} else if (n == 1) {std::cout << "1 ";return;} else {int a = 0, b = 1, temp;for (int i = 0; i < n; i++) {std::cout << a << " ";temp = a + b;a = b;b = temp;}std::cout << std::endl;}
}void worker_thread() {while (true) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_queue);cond_var.wait(lock, []{ return!task_queue.empty(); });int task = task_queue.front();task_queue.pop();lock.unlock();fibonacci_task(task);}
}int main() {const int num_tasks = 10;std::thread threads[num_tasks];// 创建并启动工作线程for (int i = 0; i < num_tasks; ++i) {threads[i] = std::thread(worker_thread);}// 将任务放入队列for (int i = 0; i < num_tasks; ++i) {std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_queue);task_queue.push(i);lock.unlock();cond_var.notify_one();}// 等待所有线程完成任务for (int i = 0; i < num_tasks; ++i) {threads[i].join();}return 0;
}

（五）典型开源库

cppq 是一个简单、可靠且高效的 C++17 分布式任务队列库，它提供了方便的任务调度和执行功能，适用于各种需要异步处理任务的场景。

二、消息传递模型

消息传递模型中线程之间通过传递消息来进行通信和协调，而不是直接共享内存。每个线程都有自己的消息队列，用于接收和发送消息。

（一）优点

避免了共享内存带来的并发访问问题，如数据竞争和死锁等，提高了系统的稳定性和可靠性。线程之间的通信更加明确和可控，便于进行系统的调试和维护。

（二）缺点

消息传递的开销相对较大，包括消息的复制和传递过程中的系统调用等，可能会影响系统的性能。如果消息的处理不及时，可能会导致消息队列的积压，影响系统的实时性。

（三）适用场景

适用于对可靠性要求较高的嵌入式系统，如航空航天、工业控制等领域。在这些系统中，线程之间的通信需要严格的控制和管理，以确保系统的安全和稳定运行。

（四）C++ 源代码示例

#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <mpl/mpl.hpp>int main() {// 获取通信器 "world" 的引用const mpl::communicator& comm_world{mpl::environment::comm_world()};// 每个进程打印包含处理器名称、在通信器中的 rank 以及通信器大小的消息std::cout << "Hello World! I am running on \"" << mpl::environment::processor_name()<< "\". My rank is " << comm_world.rank() << " out of " << comm_world.size()<< " processes.\n";// 如果有两个或更多进程，则从进程 0 向进程 1 发送消息if (comm_world.size() >= 2) {if (comm_world.rank() == 0) {std::string message{"Hello World!"};comm_world.send(message, 1); // 向 rank 1 发送消息} else if (comm_world.rank() == 1) {std::string message;comm_world.recv(message, 0); // 从 rank 0 接收消息std::cout << "Got: \"" << message << "\"\n";}}return EXIT_SUCCESS;
}

（五）典型开源库

MPL 是一个基于 MPI 标准的 C++17 消息传递库，它为高性能计算提供了现代 C++ 接口，具有类型安全、易于使用等特点，适用于大规模模拟、并行算法研究等高性能计算场景。

三、数据并行模型

数据并行模型将数据分成多个部分，每个部分由一个独立的处理单元进行处理，处理单元之间可以并行执行，从而提高数据处理的效率。

（一）优点

能充分利用硬件的并行处理能力，大大提高数据处理的速度。对于处理大规模数据的嵌入式系统，如视频监控、图像处理等，数据并行模型可以显著提高系统的性能。

（二）缺点

对数据的划分和分配要求较高，如果数据划分不合理，可能会导致处理单元之间的负载不均衡，影响系统的性能。同时，数据并行模型需要处理单元之间进行一定的同步和通信，以确保数据处理的正确性。

（三）适用场景

适用于需要对大量数据进行相同或相似处理的嵌入式系统，如智能交通系统中的车牌识别、医疗设备中的图像诊断等。

（四）C++ 源代码示例

#include <iostream>
#include <CL/sycl.hpp>int main() {const int size = 1024;int a[size], b[size], c[size];// 初始化数组for (int i = 0; i < size; i++) {a[i] = i;b[i] = i * 2;}{// 创建 SYCL 队列cl::sycl::queue q(cl::sycl::default_selector{});// 在设备上分配内存cl::sycl::buffer<int, 1> buffer_a(a, cl::sycl::range<1>(size));cl::sycl::buffer<int, 1> buffer_b(b, cl::sycl::range<1>(size));cl::sycl::buffer<int, 1> buffer_c(c, cl::sycl::range<1>(size));// 提交并行任务q.submit([&](cl::sycl::handler& h) {auto accessor_a = buffer_a.get_access<cl::sycl::access::mode::read>(h);auto accessor_b = buffer_b.get_access<cl::sycl::access::mode::read>(h);auto accessor_c = buffer_c.get_access<cl::sycl::access::mode::write>(h);h.parallel_for<class add_vectors>(cl::sycl::range<1>(size), [=](cl::sycl::id<1> idx) {accessor_c[idx] = accessor_a[idx] + accessor_b[idx];});});// 等待任务完成q.wait();}// 检查结果for (int i = 0; i < size; i++) {if (c[i]!= a[i] + b[i]) {std::cerr << "Error at index " << i << std::endl;return -1;}}std::cout << "Arrays added successfully." << std::endl;return 0;
}

（五）典型开源库

DPC++ 是一个基于 C++ 和 SYCL 的异构并行编程模型，它允许开发者使用标准 C++ 编写跨不同架构的并行代码，包括 CPU、GPU 和 FPGA 等，适用于需要在异构硬件平台上进行高性能计算的场景。

四、异构多核并行模型

异构多核并行模型针对嵌入式异构多核处理器设计，充分发挥不同类型处理器核心的优势，实现并行计算。

（一）优点

能根据不同核心的特点进行任务分配，提高系统的整体性能和能效比。可以在不增加太多硬件成本的情况下，通过合理利用异构多核处理器的资源，满足嵌入式系统对高性能计算的需求。

（二）缺点

需要对异构多核处理器的架构和编程接口有深入的了解，开发难度相对较大。同时，异构多核之间的通信和协同工作也需要进行精心的设计和优化，以确保系统的稳定性和性能。

（三）适用场景

适用于对性能和功耗有严格要求的嵌入式系统，如智能手机、平板电脑、智能机器人等。

（四）C++ 源代码示例

#include <iostream>
#include <CL/cl.hpp>const int matrix_size = 1024;void matrix_multiply(cl::CommandQueue& queue, cl::Buffer& matrix_a, cl::Buffer& matrix_b, cl::Buffer& result_matrix) {// 定义内核函数const char* kernel_source = "__kernel void matrix_multiply_kernel(__global const float* matrix_a, ""__global const float* matrix_b, __global float* result_matrix, ""const int matrix_size) {""int row = get_global_id(0);""int col = get_global_id(1);""float sum = 0.0f;""for (int k = 0; k < matrix_size; k++) {""sum += matrix_a[row * matrix_size + k] * matrix_b[k * matrix_size + col];""}""result_matrix[row * matrix_size + col] = sum;""}";// 创建程序对象cl::Program::Sources sources;sources.push_back({kernel_source, strlen(kernel_source)});cl::Program program(queue.getInfo<CL_QUEUE_CONTEXT>(), sources);// 构建程序program.build("-cl-std=CL1.2");// 创建内核对象cl::Kernel kernel(program, "matrix_multiply_kernel");// 设置内核参数kernel.setArg(0, matrix_a);kernel.setArg(1, matrix_b);kernel.setArg(2, result_matrix);kernel.setArg(3, matrix_size);// 定义全局工作项大小cl::NDRange global_work_size(matrix_size, matrix_size);// 执行内核queue.enqueueNDRangeKernel(kernel, cl::NullRange, global_work_size);
}int main() {// 初始化矩阵数据float matrix_a_data[matrix_size * matrix_size];float matrix_b_data[matrix_size * matrix_size];float result_matrix_data[matrix_size * matrix_size];for (int i = 0; i < matrix_size * matrix_size; i++) {matrix_a_data[i] = static_cast<float>(rand()) / RAND_MAX;matrix_b_data[i] = static_cast<float>(rand()) / RAND_MAX;}try {// 获取平台和设备信息std::vector<cl::Platform> platforms;cl::Platform::get(&platforms);cl::Device device;for (const auto& platform : platforms) {std::vector<cl::Device> devices;platform.getDevices(CL_DEVICE_TYPE_ALL, &devices);for (const auto& dev : devices) {if (dev.getInfo<CL_DEVICE_TYPE>() == CL_DEVICE_TYPE_GPU ||dev.getInfo<CL_DEVICE_TYPE>() == CL_DEVICE_TYPE_CPU) {device = dev;break;}}if (device()!= 0) {break;}}// 创建上下文和命令队列cl::Context context({device});cl::CommandQueue queue(context, device);// 在设备上创建缓冲区cl::Buffer matrix_a(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(float) * matrix_size * matrix_size, matrix_a_data);cl::Buffer matrix_b(context, CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, sizeof(float) * matrix_size * matrix_size, matrix_b_data);cl::Buffer result_matrix(context, CL_MEM_WRITE_ONLY, sizeof(float) * matrix_size * matrix_size);// 执行矩阵乘法matrix_multiply(queue, matrix_a, matrix_b, result_matrix);// 将结果从设备读回主机queue.enqueueReadBuffer(result_matrix, CL_TRUE, 0, sizeof(float) * matrix_size * matrix_size, result_matrix_data);// 输出结果的一部分for (int i = 0; i < 10; i++) {for (int j = 0; j < 10; j++) {std::cout << result_matrix_data[i * matrix_size + j] << " ";}std::cout << std::endl;}} catch (cl::Error& e) {std::cerr << "OpenCL error: " << e.what() << " (" << e.err() << ")" << std::endl;return -1;}return 0;
}

（五）典型开源库

OpenCL 是一个用于异构并行计算的开放标准和编程框架，它允许开发者使用 C、C++ 等语言在不同的异构硬件平台上进行并行编程，包括 CPU、GPU、FPGA 等，适用于各种需要利用异构硬件加速计算的场景。

五、实时任务调度模型

实时任务调度模型根据任务的实时性要求和优先级，对任务进行调度和分配，确保关键任务能够在规定的时间内完成。

（一）优点

能保证系统的实时性，对于一些对时间敏感的嵌入式应用，如汽车电子控制系统、工业自动化控制系统等，实时任务调度模型可以确保系统的可靠运行。

（二）缺点

需要对任务的实时性要求和优先级进行准确的评估和设置，否则可能会导致系统的性能下降或任务错过截止时间。同时，抢占式调度可能会引入一定的上下文切换开销，影响系统的效率。

（三）适用场景

适用于对实时性要求极高的嵌入式系统，特别是那些涉及到人身安全和关键任务控制的领域。

（四）C++ 源代码示例

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <ctime>
#include <ratio>
#include <chrono>std::mutex mutex_task;
std::condition_variable cond_var;
bool high_priority_task_ready = false;
bool medium_priority_task_ready = false;
bool low_priority_task_ready = false;void high_priority_task() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));{std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_task);high_priority_task_ready = true;}cond_var.notify_one();
}void medium_priority_task() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));{std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_task);medium_priority_task_ready = true;}cond_var.notify_one();
}void low_priority_task() {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));{std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_task);low_priority_task_ready = true;}cond_var.notify_one();
}void scheduler() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_task);while (!high_priority_task_ready ||!medium_priority_task_ready ||!low_priority_task_ready) {if (high_priority_task_ready) {std::cout << "Executing high priority task." << std::endl;high_priority_task_ready = false;} else if (medium_priority_task_ready) {std::cout << "Executing medium priority task." << std::endl;medium_priority_task_ready = false;} else if (low_priority_task_ready) {std::cout << "Executing low priority task." << std::endl;low_priority_task_ready = false;} else {cond_var.wait(lock);}}lock.unlock();
}int main() {std::thread high_thread(high_priority_task);std::thread medium_thread(medium_priority_task);std::thread low_thread(low_priority_task);std::thread scheduler_thread(scheduler);high_thread.join();medium_thread.join();low_thread.join();scheduler_thread.join();return 0;
}

（五）典型开源库

RTEMS 是一个开源的实时操作系统，它提供了丰富的实时任务调度和管理功能，包括优先级调度、时间片轮转调度等，适用于各种对实时性要求较高的嵌入式系统，如航空航天、工业控制等领域 。

六、函数式并行模型

函数式并行模型将程序表示为一系列不可变数据和纯函数的组合，函数之间可以并行执行，因为它们没有副作用，不会相互干扰。

（一）优点

代码简洁、易于理解和维护，函数的并行执行可以提高系统的性能，特别是对于处理大规模数据和复杂计算的嵌入式系统。由于函数没有副作用，不会出现数据竞争和并发访问问题，提高了系统的可靠性。

（二）缺点

对开发人员的编程习惯和思维方式有一定的要求，需要熟悉函数式编程的概念和技巧。同时，函数式并行模型可能会引入一定的额外开销，如函数的调用和数据的复制等，影响系统的性能。

（三）适用场景

适用于对代码简洁性和可靠性要求较高的嵌入式系统，如金融交易系统、智能家居控制系统等。

（四）C++ 源代码示例

#include <iostream>
#include <future>int fibonacci(int n) {if (n == 0) {return 0;} else if (n == 1) {return 1;} else {return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);}
}int main() {int n = 10;std::future<int> future_result = std::async(std::launch::async, fibonacci, n);std::cout << "Calculating Fibonacci(" << n << ")..." << std::endl;int result = future_result.get();std::cout << "Fibonacci(" << n << ") = " << result << std::endl;return 0;
}

（五）典型开源库

range-v3 是一个 C++ 函数式编程库，它提供了类似于 Haskell 中的 range 概念和相关的函数式操作，如 map、filter、reduce 等，可以方便地进行数据处理和并行计算，适用于需要简洁、高效地处理数据的场景 。

综上所述，不同的并行编程模型在嵌入式系统中各有优劣和适用场景。开发人员在选择时，需要综合考虑系统的资源限制、实时性要求、任务特性以及自身的开发能力等因素，以确定最适合的并行编程模型，从而实现高效、可靠的嵌入式系统开发。