Сравнительные тесты в этом примере были измерены на машине с четырьмя физическими ядрами.
Этот пример показывает, как ускорить алгоритм обработки сигналов в MATLAB® с помощью функций dspunfold и codegen. Можно сгенерировать исполняемый файл MATLAB (MEX-функция) от целой функции MATLAB или определенных частей функции MATLAB. Когда вы запускаете MEX-функцию вместо оригинального кода MATLAB, скорость симуляции может значительно увеличиться. Чтобы сгенерировать эквивалентный MEX, алгоритм должен поддержать генерацию кода.
Чтобы использовать codegen, необходимо было установить MATLAB Coder™. Чтобы использовать dspunfold, необходимо было установить MATLAB Coder и DSP System Toolbox™.
Чтобы использовать dspunfold на Windows и Linux, необходимо использовать компилятор, который поддерживает интерфейс приложения Open Multi-Processing (OpenMP). См. Поддерживаемые Компиляторы.
Полагайте, что простой КИХ-алгоритм фильтра ускоряется. Скопируйте код функции firfilter в файл firfilter.m.
function [y,z1] = firfilter(b,x) % Inputs: % b - 1xNTaps row vector of coefficients % x - A frame of noisy input % States: % z, z1 - NTapsx1 column vector of states % Output: % y - A frame of filtered output persistent z; if (isempty(z)) z = zeros(length(b),1); end Lx = size(x,1); y = zeros(size(x),'like',x); z1 = z; for m = 1:Lx % Load next input sample z1(1,:) = x(m,:); % Compute output y(m,:) = b*z1; % Update states z1(2:end,:) = z1(1:end-1,:); z = z1; end
Функция firfilter принимает вектор коэффициентов фильтра, b, шумного входного сигнала, x, как входные параметры. Сгенерируйте коэффициенты фильтра с помощью функции fir1.
NTaps = 250; Fp = 4e3/(44.1e3/2); b = fir1(NTaps-1,Fp);
Отфильтруйте поток шумного синусоидального сигнала при помощи функции firfilter. Синусоида имеет формат кадра 4 000 выборок и частоту дискретизации 192 кГц. Сгенерируйте синусоиду с помощью Системы dsp.SineWave object™. Шум является белым, Гауссовым со средним значением 0 и отклонением 0,02. Назовите этот функциональный firfilter_sim. Вызовы функции firfilter_sim firfilter функционируют на шумном входе.
function totVal = firfilter_sim(b) % Create the signal source Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); totVal = zeros(4000,500); R = 0.02; clear firfilter; % Iteration loop. Each iteration filters a frame of the noisy signal. for i = 1 : 500 trueVal = Sig(); % Original sine wave noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy sine wave filteredVal = firfilter(b,noisyVal); % Filtered sine wave totVal(:,i) = filteredVal; % Store the entire sine wave end
Запустите firfilter_sim и измерьте скорость выполнения. Скорость выполнения отличается в зависимости от вашей машины.
tic;totVal = firfilter_sim(b);t1 = toc;
fprintf('Original Algorithm Simulation Time: %4.1f seconds\n',t1);Original Algorithm Simulation Time: 7.8 seconds
codegenВызовите codegen на firfilter и сгенерируйте его эквивалентный MEX, firfilter_mex. Сгенерируйте и передайте коэффициенты фильтра и синусоидальный сигнал как входные параметры к функции firfilter.
Ntaps = 250; Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); % Create the Signal Source R = 0.02; trueVal = Sig(); % Original sine wave noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy sine wave Fp = 4e3/(44.1e3/2); b = fir1(Ntaps-1,Fp); % Filter coefficients codegen firfilter -args {b,noisyVal}
В функции firfilter_sim замените вызов функции firfilter(b,noisyVal) на firfilter_mex(b,noisyVal). Назовите этот функциональный firfilter_codegen.
function totVal = firfilter_codegen(b) % Create the signal source Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); totVal = zeros(4000,500); R = 0.02; clear firfilter_mex; % Iteration loop. Each iteration filters a frame of the noisy signal. for i = 1 : 500 trueVal = Sig(); % Original sine wave noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy sine wave filteredVal = firfilter_mex(b,noisyVal); % Filtered sine wave totVal(:,i) = filteredVal; % Store the entire sine wave end
Запустите firfilter_codegen и измерьте скорость выполнения. Скорость выполнения отличается в зависимости от вашей машины.
tic;totValcodegen = firfilter_codegen(b);t2 = toc; fprintf('Algorithm Simulation Time with codegen: %5f seconds\n',t2); fprintf('Speedup factor with codegen: %5f\n',(t1/t2));
Algorithm Simulation Time with codegen: 0.923683 seconds Speedup factor with codegen: 8.5531
Усилением ускорения является приблизительно 8.5.
dspunfoldФункция dspunfold генерирует многопоточный файл MEX, который может улучшить усиление ускорения еще больше.
dspunfold также генерирует однопоточный файл MEX и самодиагностическую функцию анализатора. Многопоточный файл MEX усиливает многожильную архитектуру ЦП хоста - компьютера. Однопоточный файл MEX подобен файлу MEX, который генерирует функция codegen. Функция анализатора измеряет усиление ускорения многопоточного файла MEX по однопоточному файлу MEX.
Вызовите dspunfold на firfilter и сгенерируйте его многопоточный эквивалентный MEX, firfilter_mt. Обнаружьте длину состояния в выборках при помощи опции -f, которая может улучшить усиление ускорения далее. -s auto инициировал автоматическое обнаружение длины состояния. Для получения дополнительной информации об использовании -f и опций -s, смотрите dspunfold.
dspunfold firfilter -args {b,noisyVal} -s auto -f [false,true]
State length: [autodetect] samples, Repetition: 1, Output latency: 8 frames, Threads: 4 Analyzing: firfilter.m Creating single-threaded MEX file: firfilter_st.mexw64 Searching for minimal state length (this might take a while) Checking stateless ... Insufficient Checking 4000 samples ... Sufficient Checking 2000 samples ... Sufficient Checking 1000 samples ... Sufficient Checking 500 samples ... Sufficient Checking 250 samples ... Sufficient Checking 125 samples ... Insufficient Checking 187 samples ... Insufficient Checking 218 samples ... Insufficient Checking 234 samples ... Insufficient Checking 242 samples ... Insufficient Checking 246 samples ... Insufficient Checking 248 samples ... Insufficient Checking 249 samples ... Sufficient Minimal state length is 249 samples Creating multi-threaded MEX file: firfilter_mt.mexw64 Creating analyzer file: firfilter_analyzer.p
Автоматический инструмент обнаружения длины состояния обнаруживает точную продолжительность состояния выборок 259.
Вызовите функцию анализатора и измерьте усиление ускорения многопоточного файла MEX относительно однопоточного файла MEX. Обеспечьте по крайней мере два различных кадра для каждого входного параметра анализатора. Кадры добавлены по первому измерению. Анализатор чередуется между этими кадрами при проверке, что выходные параметры соответствуют. Отказ обеспечить несколько кадров для каждого входа может уменьшить эффективность анализатора и может привести к ложным положительным результатам верификации.
firfilter_analyzer([b;0.5*b;0.6*b],[noisyVal;0.5*noisyVal;0.6*noisyVal]);
Analyzing multi-threaded MEX file firfilter_mt.mexw64. For best results, please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the analyzer is done. Latency = 8 frames Speedup = 3.2x
firfilter_mt имеет фактор усиления ускорения 3.2 когда по сравнению с однопоточным файлом MEX, firfilter_st. Чтобы увеличить ускорение далее, увеличьте фактор повторения использование опции -r. Компромисс - то, что выходная задержка увеличивается. Используйте фактор повторения 3. Задайте точную длину состояния, чтобы уменьшать издержки и увеличить ускорение далее.
dspunfold firfilter -args {b,noisyVal} -s 249 -f [false,true] -r 3
State length: 249 samples, Repetition: 3, Output latency: 24 frames, Threads: 4 Analyzing: firfilter.m Creating single-threaded MEX file: firfilter_st.mexw64 Creating multi-threaded MEX file: firfilter_mt.mexw64 Creating analyzer file: firfilter_analyzer.p
Вызовите функцию анализатора.
firfilter_analyzer([b;0.5*b;0.6*b],[noisyVal;0.5*noisyVal;0.6*noisyVal]);
Analyzing multi-threaded MEX file firfilter_mt.mexw64. For best results, please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the analyzer is done. Latency = 24 frames Speedup = 3.8x
Фактором усиления ускорения является 3.8, или приблизительно 32 раза скорость выполнения исходной симуляции.
Для этого конкретного алгоритма вы видите, что dspunfold генерирует очень оптимизированный код, не имея необходимость писать любой C или Код С++. Усиление ускорения масштабируется с количеством ядер на вашей хост-машине.
КИХ-функция filter в этом примере является только иллюстративным алгоритмом, который легко понять. Можно применить этот рабочий процесс на любой из пользовательских алгоритмов. Если вы хотите использовать КИХ-фильтр, рекомендуется, чтобы вы использовали Системный объект dsp.FIRFilter в DSP System Toolbox. Этот объект запускается намного быстрее, чем числа сравнительного теста, представленные в этом примере без потребности в генерации кода.
Рассмотрите алгоритм Фильтра Калмана, который оценивает синусоидальный сигнал от шумного входа. Этот пример показывает производительность Фильтра Калмана с codegen и dspunfold.
Шумный вход синусоиды имеет формат кадра 4 000 выборок и частоту дискретизации 192 кГц. Шум является белым, Гауссовым со средним значением 0 и отклонением 0,02.
Функциональный filterNoisySignal вызывает функцию kalmanfilter на шумном входе.
type filterNoisySignal
function totVal = filterNoisySignal
% Create the signal source
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200);
totVal = zeros(4000,500);
R = 0.02;
clear kalmanfilter;
% Iteration loop to estimate the sine wave signal
for i = 1 : 500
trueVal = Sig(); % Actual values
noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy measurements
estVal = kalmanfilter(noisyVal); % Sine wave estimated by Kalman filter
totVal(:,i) = estVal; % Store the entire sine wave
endtype kalmanfilter
function [estVal,estState] = kalmanfilter(noisyVal)
% This function tracks a noisy sinusoid signal using a Kalman filter
%
% State Transition Matrix
A = 1;
stateSpaceDim = size(A,1);
% Measurement Matrix
H = 1;
measurementSpaceDim = size(H,1);
numTsteps = size(noisyVal,1)/measurementSpaceDim;
% Containers to store prediction and estimates for all time steps
zEstContainer = noisyVal;
xEstContainer = zeros(size(noisyVal));
Q = 0.0001; % Process noise covariance
R = 0.02; % Measurement noise covariance
persistent xhat P xPrior PPrior;
% Local copies of discrete states
if isempty(xhat)
xhat = 5; % Initial state estimate
end
if isempty(P)
P = 1; % Error covariance estimate
end
if isempty(xPrior)
xPrior = 0;
end
if isempty(PPrior)
PPrior = 0;
end
% Loop over all time steps
for n=1:numTsteps
% Gather chunks for current time step
zRowIndexChunk = (n-1)*measurementSpaceDim + (1:measurementSpaceDim);
stateEstsRowIndexChunk = (n-1)*stateSpaceDim + (1:stateSpaceDim);
% Prediction step
xPrior = A * xhat;
PPrior = A * P * A' + Q;
% Correction step. Compute Kalman gain.
PpriorH = PPrior * H';
HPpriorHR = H * PpriorH + R;
KalmanGain = (HPpriorHR \ PpriorH')';
KH = KalmanGain * H;
% States and error covariance are updated in the
% correction step
xhat = xPrior + KalmanGain * noisyVal(zRowIndexChunk,:) - ...
KH * xPrior;
P = PPrior - KH * PPrior;
% Append estimates
xEstContainer(stateEstsRowIndexChunk, :) = xhat;
zEstContainer(zRowIndexChunk,:) = H*xhat;
end
% Populate the outputs
estVal = zEstContainer;
estState = xEstContainer;
endЗапустите filterNoisySignal.m и измерьте скорость выполнения.
tic;totVal = filterNoisySignal;t1 = toc;
fprintf('Original Algorithm Simulation Time: %4.1f seconds\n',t1);Original Algorithm Simulation Time: 21.7 seconds
codegenВызовите функцию codegen на kalmanfilter и сгенерируйте его эквивалентный MEX, kalmanfilter_mex.
Функция kalmanfilter требует шумной синусоиды как входа.
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); % Create the Signal Source R = 0.02; % Measurement noise covariance trueVal = step(Sig); % Actual values noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy measurements codegen -args {noisyVal} kalmanfilter.m
Замените kalmanfilter(noisyVal) в функции filterNoisySignal с kalmanfilter_mex(noisyVal). Назовите эту функцию как filterNoisySignal_codegen
function totVal = filterNoisySignal_codegen % Create the signal source Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); totVal = zeros(4000,500); R = 0.02; clear kalmanfilter_mex; % Iteration loop to estimate the sine wave signal for i = 1 : 500 trueVal = Sig(); % Actual values noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy measurements estVal = kalmanfilter_mex(noisyVal); % Sine wave estimated by Kalman filter totVal(:,i) = estVal; % Store the entire sine wave end
Запустите filterNoisySignal_codegen и измерьте скорость выполнения.
tic; totValcodegen = filterNoisySignal_codegen; t2 = toc; fprintf('Algorithm Simulation Time with codegen: %5f seconds\n',t2); fprintf('Speedup with codegen is %0.1f',t1/t2);
Algorithm Simulation Time with codegen: 0.095480 seconds Speedup with codegen is 227.0
Алгоритм Фильтра Калмана реализует несколько умножений матриц. codegen пользуется библиотеками Basic Linear Algebra Subroutines (BLAS), чтобы выполнить это умножение. Эти библиотеки генерируют очень оптимизированный код, следовательно давая усиление ускорения 227.
dspunfoldСгенерируйте многопоточный файл MEX с помощью dspunfold и сравните его производительность с codegen.
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); % Create the signal source R = 0.02; % Measurement noise covariance trueVal = step(Sig); % Actual values noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy measurements dspunfold kalmanfilter -args {noisyVal} -s auto
State length: [autodetect] frames, Repetition: 1, Output latency: 8 frames, Threads: 4 Analyzing: kalmanfilter.m Creating single-threaded MEX file: kalmanfilter_st.mexw64 Searching for minimal state length (this might take a while) Checking stateless ... Insufficient Checking 1 frames ... Sufficient Minimal state length is 1 frames Creating multi-threaded MEX file: kalmanfilter_mt.mexw64 Creating analyzer file: kalmanfilter_analyzer.p
Вызовите функцию анализатора.
kalmanfilter_analyzer([noisyVal;0.01*noisyVal;0.05*noisyVal;0.1*noisyVal]);
Analyzing multi-threaded MEX file kalmanfilter_mt.mexw64. For best results, please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the analyzer is done. Latency = 8 frames Speedup = 0.7x
kalmanfilter_mt имеет фактор ускорения 0.7, который является потерей производительности 30% когда по сравнению с однопоточным файлом MEX, kalmanfilter_st. Увеличьте фактор повторения до 3, чтобы видеть, увеличивается ли производительность. Кроме того, обнаружьте длину состояния в выборках.
dspunfold kalmanfilter -args {noisyVal} -s auto -f true -r 3
State length: [autodetect] samples, Repetition: 3, Output latency: 24 frames, Threads: 4 Analyzing: kalmanfilter.m Creating single-threaded MEX file: kalmanfilter_st.mexw64 Searching for minimal state length (this might take a while) Checking stateless ... Insufficient Checking 4000 samples ... Sufficient Checking 2000 samples ... Sufficient Checking 1000 samples ... Sufficient Checking 500 samples ... Sufficient Checking 250 samples ... Insufficient Checking 375 samples ... Sufficient Checking 312 samples ... Sufficient Checking 281 samples ... Sufficient Checking 265 samples ... Sufficient Checking 257 samples ... Insufficient Checking 261 samples ... Sufficient Checking 259 samples ... Sufficient Checking 258 samples ... Insufficient Minimal state length is 259 samples Creating multi-threaded MEX file: kalmanfilter_mt.mexw64 Creating analyzer file: kalmanfilter_analyzer.p
Вызовите функцию анализатора.
kalmanfilter_analyzer([noisyVal;0.01*noisyVal;0.05*noisyVal;0.1*noisyVal]);
Analyzing multi-threaded MEX file kalmanfilter_mt.mexw64. For best results, please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the analyzer is done. Latency = 24 frames Speedup = 1.4x
dspunfold дает усиление ускорения 40% когда по сравнению с высоко оптимизированным однопоточным файлом MEX. Задайте точную длину состояния и увеличьте фактор повторения до 4.
dspunfold kalmanfilter -args {noisyVal} -s 259 -f true -r 4
State length: 259 samples, Repetition: 4, Output latency: 32 frames, Threads: 4 Analyzing: kalmanfilter.m Creating single-threaded MEX file: kalmanfilter_st.mexw64 Creating multi-threaded MEX file: kalmanfilter_mt.mexw64 Creating analyzer file: kalmanfilter_analyzer.p
Вызовите функцию анализатора, чтобы видеть усиление ускорения.
kalmanfilter_analyzer([noisyVal;0.01*noisyVal;0.05*noisyVal;0.1*noisyVal]);
Analyzing multi-threaded MEX file kalmanfilter_mt.mexw64. For best results, please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the analyzer is done. Latency = 32 frames Speedup = 1.5x
Фактором усиления ускорения является 50% когда по сравнению с однопоточным файлом MEX.
Факторы увеличения производительности, которые дают codegen и dspunfold, зависят от вашего алгоритма. codegen обеспечивает достаточное ускорение для некоторых построений MATLAB. dspunfold может обеспечить дополнительное увеличение производительности с помощью ядер, доступных на машине, чтобы распределить алгоритм через разворачивание. Как показано в этом примере, сумма ускорения, которое обеспечивает dspunfold, зависит от конкретного алгоритма, чтобы ускориться. Используйте dspunfold в дополнение к codegen, если ваш алгоритм является подходящим для распределения через разворачивание, и если получившаяся стоимость задержки соответствует ограничениям вашего приложения.
Некоторые построения MATLAB высоко оптимизированы с интерпретированным выполнением MATLAB. Функция fft, например, запускается намного быстрее в интерпретированной симуляции, чем с генерацией кода.