CN101566955A - 多线程化图标编程系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了多线程化图标编程系统。在显示设备上显示计算机系统内的图标网络。进行图标网络的多线程化执行。计算机系统接收用户输入以将图标网络的图标编组到在显示设备上显示的分立线程图形块中。计算机系统将线程图形块指派给操作系统的分立线程。计算机系统通过执行操作系统的分立线程来执行在分立线程图形块中编组的图标。在图标网络被执行时，通过仪器总线、在计算机系统和外部电子仪器之间交换与图标网络的图标相关联的数据。

Description

多线程化图标编程系统

技术领域

本发明涉及多线程化图标编程(iconic programming)系统。

背景技术

图标编程系统是一种“较少编程”的环境，其中，通过将设备的图形图像(图标)与线连接在一起以创建表示软件程序的图标网络来进行编程。图标编程系统可以用在研发测试环境中，其中，若干不同的外部电子仪器被相互连接以对系统或设备进行测试。对这样的系统进行编程需要指令来致使各种外部仪器执行所需的功能，从而作为系统来进行操作。

当使用图标编程系统时，每一个仪器都用图形图标(也称为图形对象)来表示，并且仪器之间的连接用图形图标图像之间的连接线来表示。各个设备可以具有多条输入线，这些输入线与其它设备相连接，将数据载入设备以在其执行时进行使用。各个设备还具有多条输出线，这些输出线与其它设备相连接，以将其新的或变化了的数据传到程序中的其它设备。在这样的系统中，除了表示仪器的图形图标之外，还提供用于编程功能的图形图标，所述编程功能例如是循环(1ooping)、IF-THEN指令、数据分析、数据显示、仿真仪器等。通过组合仪器和编程图标，用户可以创建涉及若干仪器的经过编程的操作的图标网络。

当图标网络运行时，各个设备可以使用其输入线上的数据，对该数据进行修改，并且将该数据或者其它数据置于其输出线上以待其它设备的使用。

在以下美国专利申请中公开了图标网络系统的各种特征和组件：美国专利第5313575号、美国专利第5261043号、美国专利第5377318号、美国专利第5293476号、美国专利第5325481号、美国专利第5551041号、美国专利第5313574号、美国专利第5437007号、美国专利第6016143号、美国专利第5754426号、美国专利第6816914号以及美国专利第6862030号，这些美国专利申请被转让给了与本发明相同的受让人。

图标编程系统的一个问题在于可能存在同时或者表面上同时运行的许多图形图标。这会导致系统处理较慢。此外，可能会对诸如外部仪器之类的资源作出同步调用。完成这些仪器调用可能会花很长时间。在单线程应用中，同步调用会有效地阻隔或者防止在该应用内执行任何其它任务直到操作完成为止。

为了理解申请人的发明，理解现有技术中公知的计算机操作系统中的“进程”(process)和“线程”(thread)会很有帮助。

进程在嵌入式操作系统中通常被称为“任务”。一个“进程”是正在被顺序执行的计算机程序的一个实例。计算机程序本身仅仅是被动的指令集，而进程是这些指令的实际执行。进程是占据时间的东西。相反，计算机程序被存储在存储器中，因而是占据空间的东西。

进程包括(或者被认为“拥有”)以下资源：

-与程序相关联的可执行机器代码的图像。

-存储器(一般而言是虚拟存储器的某个区域)，该存储器包括可执行代码、进程专用数据(输入和输出)、调用堆栈(以掌握活动子程序和/或其它事件的信息)、以及用以保持运行时间期间生成的中间计算数据的堆(heap)。

-分配给进程的资源的操作系统描述符，例如，文件描述符(UNIX术语)或者句柄(WINDOWS术语)，以及数据源和汇点(sink)。

-安全属性，例如进程拥有者和进程的许可集(允许的操作)。

-处理器状态(上下文)，例如寄存器的内容、存储器物理地址等。

一般而言，在进程执行时该状态被存储在计算机寄存器中，否则被存储在存储器中。

操作系统以称为进程控制块(PCB)的数据结构来保持关于活动进程的这些信息的大部分。

几个进程可以与同一程序相关联。例如，同一程序的两个窗口的开启一般意味着正在执行两个进程。

操作系统保持其进程相互分离并分配它们所需的资源，以使得它们不太可能相互干扰并导致系统故障(例如，死锁或者超负荷工作(thrashing))。操作系统还可以提供用于进程间通信(IPC)的机制，以使得进程可以以安全且可预测的方式来交互。

一个计算机处理器一次仅执行一个指令。为了允许用户一次运行若干程序，单处理器计算机系统可以进行时间共享，藉此，进程在执行和等待执行之间切换。在大多数情况下，这以非常快的速率来进行，从而给出同时有若干进程在执行的假象。使用多个处理器实现了来自不同进程的多个指令的实际上的同时执行。操作系统通过将不同的进程分给分立的处理器(多处理器)或者多核来更有效地执行多个应用。

出于安全的原因，大多数操作系统防止直接的进程间通信(IPC)，从而仅提供适中且有限的功能性。但是，进程内的多个线程可以依据许多相同的资源和数据来运行不同的指令。这例如在以下情形中会很有用：当有必要使同一进程内的多个事情看起来好像同时在发生一样(例如，在用户打字的同时在字处理器中执行拼写检查)时，或者如果进程的一部分需要等待其它事情的发生(例如，web浏览器等待网页被检索)。

计算机科学中的线程是“执行线程”(thread of execution)的缩写。线程提供了应用或者程序将其自身岔分(或者劈分)成两个或更多个同时(或者准同时)运行的任务的方式。线程和进程因操作系统而异，但是，一般而言，线程包含在进程内部，并且同一进程的不同线程共享一些资源，而不同的进程并不共享资源。例如，同一进程中的线程可以共享相同的存储器和文件资源。除了堆栈和包括程序计数器的寄存器的副本之外，线程通常并不拥有资源。

多个线程共享与它们所属于的进程相同的程序代码、操作系统资源(例如，存储器和文件存取)以及操作系统许可(针对文件存取)。

仅具有一个线程的进程被称为单线程进程，而具有多个线程的进程被称为多线程进程。执行多线程进程被称为多线程化。

多线程化是单个应用内的多任务化。其允许在相同的程序内同时发生多个线程的执行，各个线程处理不同的事务或消息。线程和进程因操作系统而异，但是，一般而言，线程包含在进程中，并且同一进程的不同线程共享一些资源，而不同的进程并不共享资源。

更具体而言，进程一般相互独立，执行相当多的状态信息，具有分立的地址空间并且仅通过系统提供的进程间通信机制来交互。另一方面，多个线程一般共享一个进程的状态信息，并且直接共享存储器和其它资源。在同一进程中的各个线程之间的上下文切换通常比进程之间的上下文切换更快。

多个线程可以在许多计算机系统上被并行执行。这种多线程化一般通过时间分片(类似于时分复用)而发生，其中，单个处理器在不同的线程之间切换，在这种情况下，处理并不是严格的同时，因为该单个处理器事实上一次仅做一件事。这种切换可以发生得如此之快以使得向末端用户给出同时的假象。例如，当今的许多PC仅包含一个处理器核，但是人们可以同时运行多个程序，例如在文档编辑器中打字的同时利用音频播放程序来收听音乐；虽然用户好像是同时体验这些事件，但是事实上，处理器在这些分立的进程之间快速地来回切换。

在多处理器或者多核系统中，线程化可以通过多进程化来实现，其中，不同的线程和进程可以严格同时地在不同的处理器或核上运行。多线程化允许在单个进程的上下文中存在多个线程，从而共享进程的资源却能够独立地执行。多线程化程序的这种优点允许其在具有多个CPU的计算机系统上、具有多个核的CPU上、或者经由一组机器而更快速地操作。这是因为程序的各个线程自然地适合于实际同时执行。在这样的情况下，程序员需要很小心以避免竞态条件(race condition)以及其它非直觉行为。为了使数据得到正确地操作，线程通常需要及时地会合以按正确的顺序来处理数据。线程可能还需要原子操作(atomic operation)(通常使用信号量(semaphore)来实现)以防止公共数据被同时修改，或者在正在被修改的进程中时进行读取。粗心地使用这些原语(primitive)可能会导致死锁。

许多现代操作系统都直接支持具有进程调度器的时间分片线程化和多处理器线程化两者。操作系统内核允许程序员通过系统调用接口来操纵线程。线程可以由内核使用允许操作系统对上下文切换应当何时发生进行判断的抢先式多线程化来管理和调度。对于抢先式多线程化的缺点是：系统可能在不合适的时候作出上下文切换，从而导致优先级颠倒或者其它坏影响(这些坏影响可以通过协作式多线程化来避免)。

线程也可以使用协作式多线程化来管理和调度，其中，协作式多线程化依赖于线程本身从而一旦它们处于停止点就放弃控制。这在线程正在等待资源变为可用时会产生问题。

程序也可以通过使用计时器、信号、或者其它方法来中断它们自己的执行因而进行一种特别的时间分片从而实现线程化。这些有时候被称为用户空间线程。

但是，在现有技术中，需要很难的编程来在进程的各个线程中分配特定任务。还没有一种由用户利用图标编程语言以图解方式来在进程的各个线程之间分配任务的方法。希望允许在多个线程之间进行图形图标的手动分配。

发明内容

本发明允许在操作系统的多个线程之间手动分配图标网络的图形图标。

概括而言，在显示设备上显示计算机系统内的图标网络。进行图标网络的多线程化执行。计算机系统接收用户输入以将图标网络的图标编组到在显示设备上显示的分立线程图形块中。计算机系统将线程图形块指派给操作系统的分立线程。计算机系统通过执行操作系统的分立线程来执行在分立线程图形块中编组的图标。在图标网络被执行时，通过仪器总线、在计算机系统和外部电子仪器之间交换与图标网络的图标相关联的数据。

附图说明

现在将参考以下附图出于示例的目的来描述本发明的其它优选特征，在附图中：

图1示出了结合本发明的计算机系统的框图；

图2示出了由图1的计算机系统处理的图标网络；

图3示出了图2的一个线程图形块的开启窗口；

图4示出了图2的另一个线程图形块的开启窗口；

图5示出了图3的线程图形块的开启“属性”窗口；以及

图6是用于执行图2的图标网络的方法的流程图。

具体实施方式

以下描述了执行本发明的目前所能想到的最佳模式。这种描述不是从限制性的角度来进行的，而仅仅是出于描述本发明的一般原理的目的而进行的。本发明的范围应当通过参考所附的权利要求来确定。

图1示出了结合本发明的计算机系统的框图。计算机系统100包含通过系统总线104来与系统的其它组件相连接的处理元件102和存储器114。键盘106允许用户向系统输入文本数据，并且鼠标110或者更加一般化地，任何点选设备允许用户向系统输入图形数据。显示设备108允许系统向用户输出文本和图形信息。显示设备108可以是单个计算机监视器、多个计算机监视器、投影仪、屏幕，或者一般而言可以是能够显示图标网络的一部分或者全部的任何设备。盘112被系统用于存储图标编程系统环境的软件，以及用户定义的图标网络。通信接口116被用于创建这样的通信网络，该通信网络允许此计算机和图标编程环境与其它计算机和其它环境进行通信。例如，通过通信接口116的通信可以去往一个或多个仪器126，仪器126例如可以是任何外部测试和测量装置。图中还示出了待测量物件128，该待测量物件128是将由一个或多个仪器126来测量的任何材料、设备或系统。

存储在存储器114中的多任务化操作系统120可以控制多个进程(这里用进程122和进程124来图示)。进程122和124各自可以包括图标编程进程，并且各自还可以包括多个线程。作为一个示例，操作系统120的两个线程130、132被图示在进程122中。类似的线程可以在进程124中执行。在其它实施例中，仅存在运行多个线程的单个进程，并且在这样的实施例中，操作系统可能并不是多任务化操作系统。

将参考图2来描述本发明的第一示例，图2示出了在窗口“Main”213内的图标网络200。另外，图6示出了本发明的图标网络(例如，包括图2的图标网络200的图标网络)的多线程化执行的方法的流程图。

如图2所示，该图标网络可以包括标为“Thread-Sampling”(线程-采样)的图标网络线程图形块或者线程块201，并且还可以包括标为“Thread-Analyzing”(线程-分析)的图标网络线程图形块或线程块203。在本发明中可以包括任何数目的这些线程块，一个或者多个。此外，在该图标网络200中还示出了“Text”(文本)框205、“Int32”框207、以及标为“Magnitude Spectrum”(幅度谱)的显示设备209。显示设备209显示经过采样和分析之后的数据。这些块通过诸如连接线211之类的连接线来连接。“Text”框205和“Int32”框207允许用户通过输入和输出来交换数据。

用户可以在这些线程块内拖拉或者以别的方式来创建例如表示系统中的仪器的图形图标或者用于编程功能的图形图标。此外，线程块可以包括本领域中可以理解的这些图形图标的任何组合。因此，一般而言，线程块可以包括任何图标网络或子网络。

图3示出了作为开启窗口的图2的“Thread-Sampling”线程块201，该线程块201包含标为“Read Sample Data”(读取采样数据)的图形图标305和标为“XY Trace”(XY轨线)的图形图标307，用以执行对来自可能正在测量物件128(参见图1)的仪器126的数据的获取或者对该数据的采样。图形图标305、307通过连接线309来进行通信。使用这样的相互连接图形图标来采样数据在本领域是已知的。

图4示出了作为开启窗口的图2的“Thread-Analyzing”线程块203，该线程块203包含标为“MultiInstrument Direct I/O”(多仪器直接I/O)的图形图标411和标为“fft(x)”的图形图标413，用以对来自可能正在测量物件128(参见图1)的仪器126的数据执行分析。图形图标411、413通过连接线415来进行通信。此外，使用这样的相互连接图形图标来分析数据也是本领域已知的。

因为在线程块内允许可由操作系统120(多任务化的或者其它的)执行的并且在计算机系统100上运行的任何图标网络或子网络，因此线程块内的特定图标网络或子网络的细节并不重要。

在图2的示例中，“Thread-Sampling”线程块201内的相互连接的图形图标305、307可以作为图1中的线程130来执行，并且“Thread-Analyzing”线程块203内的相互连接的图形图标411、413可以作为线程132来执行。这些线程在同一进程122内，并因而被以多线程化的方式来执行。

图2还包括用于连接线程块201、203的连接线211。连接线211允许用户确定线程的执行顺序。当不存在连接线211时，两个线程对象将同时运行。当如图所示连接线211被使用时，“Thread-Analyzing”线程块203仅在“Thread-Sampling”线程块201的执行之后才可以执行。

分别运行图形图标线程201、203的线程130、132共享进程122的状态信息，并直接共享存储器和其它资源。线程130、132所共享的资源可以包括：

-与程序相关联的可执行机器代码的图像。

-存储器(例如，虚拟存储器的某个区域)，该存储器包括可执行代码、进程专用数据(输入和输出)、调用堆栈(以掌握活动子程序和/或其它事件的信息)、以及用以保持运行时间期间生成的中间计算数据的堆。

-分配给进程的资源的操作系统描述符，例如，文件描述符(UNIX术语)或者句柄(WINDOWS术语)，以及数据源和汇点。

-安全属性，例如进程拥有者和进程的许可集(允许的操作)。

-处理器状态(上下文)，例如寄存器的内容、存储器物理地址等。

一般而言，在进程执行时该状态被存储在计算机寄存器中，否则被存储在存储器中。

不同的线程还可以具有不在线程之间共享的寄存器。

图5示出了“Properties”(属性)窗口500，该窗口可以为“Thread-Sampling”线程块201开启，或者为任何其它线程图形块而开启。这个块允许用户将线程(例如，线程130或132)指派给不同的或者相同的处理器或核。将线程130和132指派给分立的处理器或核允许这些线程的实际同时处理。在给定示例中，可能存在两个处理元件102。用户将“Thread-Sampling”线程块201(因而是线程130)指派给“ProcessorNo”＝2的处理元件102。用户通过对“ProcessorNo”输入数字“2”来实现上述操作。

另一个“属性”窗口(未示出)可以为“Thread-Analyzing”线程块203开启，并且用户随后将“Thread-Analyzing”线程块203(因而是线程132)指派给“ProcessorNo”＝1的处理元件102。用户通过对“ProcessorNo”输入数字“1”来实现上述操作。

可以为图标网络200中的任何其它线程块重复同一进程。

图标网络200由处理元件102来处理，并且被显示在图1的显示设备108上。命令和数据通过图1的通信接116来在图标编程进程122的图形图标和仪器126之间进行通信。

返回到图6的流程图，在步骤602中，用户使用键盘106或鼠标110来提供输入，以将图标网络200的图标305、307、411、413编组到显示在显示设备108上的线程图形块201、203的各个线程图形块中。

在步骤604中，操作系统120将线程图形块201、203指派给操作系统120的分立线程130、132。此外，用户可以使用“属性”窗口500来将线程图形块指派给特定线程，并且在系统100具有多个核或多个处理器时将线程图形块指派给特定处理器或核。

在步骤606、608、610中，操作系统120通过以多线程化的方式来执行操作系统的分立线程130、132从而执行在分立线程图形块201、203中编组的图标305、307、411、413。

在步骤612中，在图标网络200被处理时，通过仪器总线116来在计算机系统100和外部电子仪器126之间交换与图标网络200的图标相关联的数据。

本发明的实施例可以包括由操作系统的两个或更多个线程执行的两个或更多个线程图形块。

可以通过在分立的处理器(多处理器)或多核之间劈分线程来同时执行这些线程，从而以多线程的方式来执行操作系统的线程和它们的相应线程图形块。或者，通过使操作系统以非常快的速率在线程之间切换来执行时间分割，从而给出若干线程同时执行的假象，则可以使用单个处理器以多线程化方式来执行这些线程。

在上述说明书中，已经参考其特定示例性实施例来描述本发明。因此，说明书和附图应当被视为是示意性的，而非限制性的。

Claims (12)

1.一种用于具有操作系统的计算机系统内的图标网络的多线程执行的方法，所述图标网络被显示在显示设备上，所述方法包括以下步骤：

接收用户输入以将所述图标网络的图标编组到在所述显示设备上显示的分立线程图形块中；

将所述线程图形块指派给所述操作系统的分立线程；

通过执行所述操作系统的所述分立线程来执行在所述分立线程图形块中编组的图标；以及

在所述图标网络被处理时，通过仪器总线在所述计算机系统和外部电子仪器之间交换与所述图标网络的图标相关联的数据。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

显示与所述线程图形块之一相关联的窗口；

接收用户针对所述窗口的输入，以向所述处理器的多个核中的一个指派已经被指派线程图形块的线程。

3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

显示与所述线程图形块之一相关联的窗口；

接收用户针对所述窗口的输入，以向所述计算机系统的多个处理器中的一个指派已经被指派线性图形块的线程。

4.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：接收用户输入以使用连接线来连接至少两个所述线程块，所述连接线提供指令以在所述线程块中的一个之后执行所述线程块中的另一个。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述操作系统通过对单个处理器进行时间共享，以多线程化的方式来处理所述分立线程。

6.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：使用所述线程图形块之间的通信通道来在所述线程图形块之间通信。

7.一种用于与测试仪器和测量仪器进行通信的图标编程系统，包括：

线程图形块，用于在所述图标编程系统的显示设备上显示；

用户输入设备，用于允许用户将所述图标网络的图标编组到所述线程图形块中；

所述图标编程系统的操作系统，用于将所述线程图形块指派给所述操作系统的分立线程，并且用于通过执行所述操作系统的所述分立线程来执行所述图标。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述计算机系统具有包括多个核的处理器，并且还包括在所述显示设备上显示的一个或多个窗口，所述窗口用于接收用户输入以将已经被指派了线程图形块的线程的执行指派给所述多个核中不同的核。

9.如权利要求7所述的系统，其中，所述计算机系统具有多个处理器，并且还包括在所述显示设备上显示的一个或多个窗口，所述窗口用于接收用户输入以将已经被指派了线程图形块的线程的执行指派给所述多个处理器中不同的处理器。

10.如权利要求7所述的系统，还包括连接至少两个所述线程块的连接线，所述连接线提供指令以在所述线程块中的一个之后执行所述线程块中的另一个。

11.如权利要求7所述的系统，其中，所述系统包括由所述操作系统控制的处理器，所述操作系统用于以多线程化的方式通过对所述处理器进行时间共享来处理分立线程。

12.如权利要求7所述的系统，还包括在所述线程图形块之间的通信通道，用于允许在所述线程图形块之间的通信。

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