分享使用 MATLAB 生成 C 代碼的方法和研究

一直以來，工程師都手工編寫 C 語言實(shí)現(xiàn)算法再通過編譯器編譯為機(jī)器代碼。能否使用編碼器將 MATLAB 這樣的高級(jí)語言翻譯成 C 語言？大多數(shù)工程師認(rèn)為這是可行的——理論來說。

但實(shí)際上是否可行？

生成的代碼是可讀性如何？效率如何？執(zhí)行速度如何？

面向工業(yè)流程或只是處于研發(fā)階段？

MATLAB Coder 的使用技巧和最佳實(shí)踐可以直接回答以上問題，這里還將分享行業(yè)將 MATLAB 生成 C 代碼的成功經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用案例（包括 Delphi、Baker Hughes、iSonea、dorsaVi 等）。

- 對(duì)比 MATLAB 和 C 代碼 -

以下面這個(gè)簡(jiǎn)單的 MATLAB 乘法函數(shù)為例。

function c = myMult (a, b)

% Multiply two inputs

c = a * b;

給定標(biāo)量輸入，MATLAB Coder 可以生成下面的 C 代碼：

#include "myMult.h"

doublemyMult (doublea,doubleb)

{

return a *b;

}

正如所見，生成的代碼清楚地與 MATLAB 代碼相映射。

同樣的 MATLAB 代碼，當(dāng)給定兩個(gè)矩陣輸入時(shí)，在生成的 C 代碼中會(huì)包含三層嵌套的 for 循環(huán)：

#include "myMult.h"

void myMult (const doublea[12],const doubleb[20],doublec[15],)

{

inti0;

inti1;

inti2;

for(i0 = 0; i0 < 3; i0++)? {

for(i1 = 0; i1 < 5; i1++)? {

c[i0 + 3 * i1] = 0.0;

for(i2 = 0; i2 < 4; i2++)? {

c[i0 + 3 * i1] += a[i0 + 3 * i2] * b[i2 + (i1 << 2 )];

}

}

}

}

推薦！

- 三步迭代工作流程 -

上述簡(jiǎn)單的函數(shù)可以在一個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于更多的實(shí)際項(xiàng)目來說，我們推薦使用三步迭代工作流程的結(jié)構(gòu)化方法：

準(zhǔn)備好需要生成代碼的算法。檢驗(yàn)并修改 MATLAB 代碼來引入生成 C 代碼的要素，使用支持代碼生成的 MATLAB 語言和函數(shù)。

使用默認(rèn)設(shè)置測(cè)試 MATLAB 代碼生成時(shí)的可讀性。通過生成并執(zhí)行 MEX 文件來檢查運(yùn)行中的錯(cuò)誤。如果運(yùn)行成功，則進(jìn)行下一步。如果不成功，則重復(fù)第一步直到能生成一個(gè) MEX 函數(shù)。

生成 C 代碼或保留第二步的 MEX 函數(shù)。你可以通過迭代 MATLAB 代碼來優(yōu)化生成的 C 代碼（外觀、內(nèi)存和速度）或 MEX 函數(shù)（性能）。

MATLAB Coder app 會(huì)引導(dǎo)你在MATLAB環(huán)境中完成這一迭代過程：

分析你的 MATLAB 代碼，提供輸入數(shù)據(jù)的類型和大小

生成一個(gè) MEX 函數(shù)，測(cè)試你的 MATLAB 代碼是否準(zhǔn)備好

執(zhí)行 MEX 函數(shù)，檢查運(yùn)行錯(cuò)誤

等效的命令行函數(shù)提供同樣的功能，因此你可以生成代碼作為腳本或函數(shù)的一部分。

左：自動(dòng)檢測(cè)不支持代碼生成的特征和函數(shù)。

右：自動(dòng)分析和建議輸入數(shù)據(jù)的類型和大小。

- 實(shí)際生成代碼的限制 -

當(dāng)你準(zhǔn)備好代碼生成的 MATLAB 算法時(shí)，你需要考慮到 MATLAB 和 C 代碼的差別導(dǎo)致的限制，包括：

內(nèi)存分配。在 MATLAB 中，內(nèi)存分配是自動(dòng)的。在 C 代碼中，內(nèi)存分配則是手動(dòng)的——可以是靜態(tài)（static），動(dòng)態(tài)（malloc），或者堆棧（局部變量）。

數(shù)組語言。MATLAB 提供豐富的數(shù)組運(yùn)算集，可以簡(jiǎn)化數(shù)值算法的代碼。C 代碼則需要用明確的 for 循環(huán)表達(dá)同樣的算法。

動(dòng)態(tài)類型。MATLAB 可以在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)地確定數(shù)據(jù)類型和大小。C 語言要求對(duì)所有變量和函數(shù)進(jìn)行明確的類型聲明。

多態(tài)性。MATLAB 函數(shù)可以支持多種不同輸入類型，而 C 語言要求固定的類型聲明。在頂層，你必須明確預(yù)期的 C 函數(shù)聲明。

這里詳細(xì)說明多態(tài)性。多態(tài)性可以根據(jù)你的輸入給一行 MATLAB 代碼賦予不同的意義。例如，圖中的函數(shù)可以表示標(biāo)量乘法，向量點(diǎn)積，或者矩陣乘法。另外，你的輸入可以是不同的數(shù)據(jù)類型（邏輯值，整形，浮點(diǎn)數(shù)，定點(diǎn)數(shù)），也可以是實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)。

MATLAB 強(qiáng)大的算法開發(fā)環(huán)境體現(xiàn)于當(dāng)你創(chuàng)建算法時(shí)，不需要考慮實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。但是，對(duì)于等效的 C 代碼，你不得不明確操作的含義。例如上述案例，MATLAB 代碼可以被翻譯成一行返回 B*C 的值的 C 代碼：

doublefoo (doubleb,doublec)

{

return b * c;

}

或者，它可以被翻譯成 11 行由 3 層 for 循環(huán)組成的將兩個(gè)矩陣相乘的 C 代碼：

void myMult (const doublea[12],const doubleb[20],doublec[15],)

{

inti0;

inti1;

inti2;

for(i0 = 0; i0 < 3; i0++)? {

for(i1 = 0; i1 < 5; i1++)? {

c[i0 + 3 * i1] = 0.0;

for(i2 = 0; i2 < 4; i2++)? {

c[i0 + 3 * i1] += a[i0 + 3 * i2] * b[i2 + (i1 << 2 )];

}

}

}

}

- 多核代碼生成和其他優(yōu)化方法 -

在 MATLAB 中，迭代過程互相獨(dú)立的 for 循環(huán)可以簡(jiǎn)單地通過將 for 替換為 parfor 實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行。MATLAB Coder 使用 Open Multiprocessing （OpenMP）應(yīng)用程序接口來支持 parfor 循環(huán)中的共享內(nèi)存和多核代碼生成。OpenMP 被很多 C 編譯器（例如 Microsoft Visual Studio Professional）支持 。

你可以使用有 Embedded Coder 的 MATLAB Coder 來進(jìn)一步優(yōu)化代碼效率并定制生成的代碼。Embedded Coder 提供對(duì)生成的代碼的函數(shù)、文件和數(shù)據(jù)的細(xì)粒度控制的優(yōu)化。

例如你可以使用存儲(chǔ)類來控制生成的代碼中全局變量的聲明和定義，并使用代碼生成模板來自定義生成的代碼中的橫幅和注釋。Embedded Coder 還可以通過使用代碼替換庫來提高代碼效率，代碼替換庫可以使用為 ARM Cortex-A 和 ARM Cortex-M 等流行的處理器而優(yōu)化過的實(shí)現(xiàn)來替換某些運(yùn)算符和函數(shù)。

- 測(cè)試生成的代碼 -

在開發(fā) MATLAB 算法時(shí)，你可以創(chuàng)建單元測(cè)試來驗(yàn)證算法是否能產(chǎn)生你預(yù)期的結(jié)果。使用 MATLAB 單元測(cè)試框架編寫的測(cè)試可以被用于驗(yàn)證生成的代碼的運(yùn)行情況是否與 MATLAB 算法一致。使用 Embedded Coder 你可以結(jié)合 SIL 和 PIL 在測(cè)試生成的獨(dú)立代碼或庫時(shí)實(shí)現(xiàn)單元測(cè)試的重用。

- 自動(dòng)化工作流程 -

MATLAB Coder 保證了將 MATLAB 算法轉(zhuǎn)換為 C 代碼的自動(dòng)化工作流程。這個(gè)工作流程可以花費(fèi)更少的時(shí)間編寫和調(diào)試低C代碼，而有更多的時(shí)間用于開發(fā)、測(cè)試和調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)。

通過 MATLAB 中的黃金參考，包括算法和測(cè)試平臺(tái)，你可以更快地將算法移植到 C 代碼中。MATLAB 單元測(cè)試以及 Embedded Coder 的 SIL 和 PIL 測(cè)試框架等自動(dòng)化工具，可以讓你全面而系統(tǒng)地測(cè)試MATLAB 代碼和 C 代碼。無論你是在傳統(tǒng) 的PC端，Web 服務(wù)器，移動(dòng)設(shè)備，還是嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，MATLAB Coder 將幫助您更快地從 MATLAB 生成 C 代碼，并減少手工錯(cuò)誤。