如何通過三個簡單步驟來設(shè)置數(shù)據(jù)流

MathWorks信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往涉及復(fù)雜的算法或者數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，因此通常具有較高的計(jì)算復(fù)雜度。構(gòu)建和仿真這些復(fù)雜系統(tǒng)可能相當(dāng)耗時(shí)。Simulink 中的數(shù)據(jù)流執(zhí)行域功能是減少模型仿真時(shí)間的方法之一。該功能可以對 Simulink 模型自動分區(qū)，然后使用主機(jī)上閑置的 CPU 內(nèi)核并行執(zhí)行各分區(qū)，從而加速仿真。本文說明如何通過三個簡單步驟來設(shè)置數(shù)據(jù)流。然后，我們用無線電模型作為示例來演示數(shù)據(jù)流的實(shí)際運(yùn)用，并比較啟用和未啟用數(shù)據(jù)流的模型仿真時(shí)間。此示例中使用的模型可以直接點(diǎn)擊文末“閱讀原文”下載。

數(shù)據(jù)流使用的并行機(jī)制類型

為進(jìn)行模型分區(qū)和并行執(zhí)行，數(shù)據(jù)流會采用以下數(shù)據(jù)和任務(wù)并行機(jī)制組合之一（圖 1）：

顯式并行機(jī)制通過不同算法處理不同數(shù)據(jù)集。

展開并行機(jī)制通過同一算法處理一個數(shù)據(jù)流的連續(xù)幀。

管道并行機(jī)制通過不同算法處理同一數(shù)據(jù)的不同部分。

設(shè)置數(shù)據(jù)流

要在 Simulink 模型中啟用數(shù)據(jù)流執(zhí)行域，首先要實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方式取決于您的具體設(shè)計(jì)進(jìn)度。如果您的設(shè)計(jì)剛剛開始，請使用 DSP System Toolbox 中的 Dataflow Subsystem 模塊（圖 2）。該模塊經(jīng)過預(yù)配置，可以直接使用。您只需將它拖到 Simulink 模型中，然后在其中填充算法組件。 如果您的設(shè)計(jì)模型已構(gòu)建完畢，請將表示要并行化的算法的模塊放在子系統(tǒng)中，并按如下方式設(shè)置數(shù)據(jù)流：

選擇您剛剛創(chuàng)建的子系統(tǒng)。

在屬性檢查器的“執(zhí)行”選項(xiàng)卡下，勾選設(shè)置執(zhí)行域復(fù)選框。

將域選項(xiàng)設(shè)置為數(shù)據(jù)流。

在子系統(tǒng)內(nèi)部，左下角的 》 圖標(biāo)表示子系統(tǒng)設(shè)置為數(shù)據(jù)流執(zhí)行域。數(shù)據(jù)流執(zhí)行域首先通過在單線程上運(yùn)行模型來分析模型，然后自動進(jìn)行子系統(tǒng)分區(qū)以用于多線程執(zhí)行。

數(shù)據(jù)流的實(shí)際運(yùn)用

該示例模型對無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行仿真。它包含數(shù)字上變頻器和下變頻器來調(diào)整信號頻率，并實(shí)現(xiàn)調(diào)制器和解調(diào)器（圖 3）。輸入是以 8 kHz 采樣的錄制語音。輸出是兩個頻譜分析儀和一個音頻接收端。

首先，我們測量在不啟用數(shù)據(jù)流的情況下仿真該模型所需的時(shí)間1。我們可以注釋掉輸出模塊，以便專注于仿真算法，而不受運(yùn)行示波器和音頻輸出所需的固定時(shí)長的限制。（1. 所有仿真都在 Windows 桌面計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，該計(jì)算機(jī)采用 Intel Xeon CPU W-2133 @ 3.6 GHz 6 核 12 線程處理器。）我們使用 tic-toc 命令測量仿真時(shí)間：

modelname = ‘mono_radiomodel’;

tic;

simData = sim（modelname）;

t = toc

運(yùn)行該模型的執(zhí)行時(shí)間為 3.67 秒。現(xiàn)在我們引入數(shù)據(jù)流。我們將表示算法的模塊放入子系統(tǒng)中，并將域設(shè)置為數(shù)據(jù)流（圖 4）。

助手建議的更改之一是添加延遲。當(dāng)數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)并行機(jī)制可能增大吞吐量時(shí)，通常會向模型添加延遲。沿信號線添加的延遲用 z-n 標(biāo)簽表示。我們接受更改，并將啟用了數(shù)據(jù)流的模型保存為 mono_radiomodel_dataflow。然后，我們使用與之前相同的 tic-toc 命令來測量新子系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間。

modelname = ‘mono_radiomodel_dataflow’;

tic;

simData2 = sim（modelname）;

t_Dataflow = toc

啟用數(shù)據(jù)流后的執(zhí)行時(shí)間為 2.5 秒，比正常的單線程執(zhí)行速度快 1.7 倍。加速得益于編譯器優(yōu)化、模型設(shè)置更改和數(shù)據(jù)流添加的延遲。然而，該模型僅在單線程上執(zhí)行，加速并不顯著。這是因?yàn)榇蟛糠钟?jì)算負(fù)載都集中在上下變頻器模塊中。當(dāng)計(jì)算負(fù)載分散在整個模型中時(shí)，數(shù)據(jù)流效果最佳，因?yàn)檫@為創(chuàng)建并行線程提供了更多機(jī)會。在下一節(jié)中，我們將擴(kuò)展模型，展示數(shù)據(jù)流的實(shí)現(xiàn)如何進(jìn)一步提高仿真性能。

處理大型模型

我們通過引入多通道音頻輸入信號來增大模型的計(jì)算復(fù)雜度。這會使需要處理的數(shù)據(jù)量倍增，也為數(shù)據(jù)流提供了更多優(yōu)化仿真性能的機(jī)會。圖 6 顯示經(jīng)過修改、采用立體聲音頻輸入的模型，運(yùn)行時(shí)間為 18.6 秒。通過啟用信號維度信息疊加，我們可以看到信號輸入確實(shí)有兩個音頻通道。

在啟用數(shù)據(jù)流并重新運(yùn)行模型后，我們觀察到模型在 5 個并發(fā)線程上運(yùn)行，執(zhí)行時(shí)間為 4.5 秒，幾乎實(shí)現(xiàn)了 4 倍加速（圖 7）。

使用數(shù)據(jù)流的多線程代碼生成數(shù)據(jù)流支持使用 Simulink Coder 和 Embedded Coder 的單核和多核 C/C++ 代碼生成。首先在 Simulink 模型的“求解器”窗格中啟用允許任務(wù)在目標(biāo)上并發(fā)執(zhí)行參數(shù)，然后使用 Ctrl + B 生成代碼。為桌面目標(biāo)生成的代碼通過 OpenMP 實(shí)現(xiàn)多線程化。為 Embedded Coder 目標(biāo)生成的代碼通過 POSIX 實(shí)現(xiàn)多線程化。圖 8 顯示基于以上無線電模型生成的 OpenMP C 代碼，包括由數(shù)據(jù)流創(chuàng)建的并發(fā)任務(wù)。

數(shù)據(jù)流的限制

雖然數(shù)據(jù)流有助于加速大多數(shù)仿真，但它對有些模型可能并不適用，例如較小的模型、不太復(fù)雜的模型，或者計(jì)算負(fù)載集中在少數(shù)幾個模塊中的模型。在這些情況下，數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)的速度提升不會抵消在并行線程上同步和執(zhí)行模型所需的開銷。如無線電模型示例所示，當(dāng)計(jì)算負(fù)載在模型中均勻分布時(shí)，數(shù)據(jù)流效果最佳，因?yàn)榫鶆蚍植嫉呢?fù)載意味著有更多機(jī)會進(jìn)行模型分區(qū)和并行執(zhí)行。就建模限制而言，從版本 2020b 開始，數(shù)據(jù)流不支持連續(xù)模塊、可變大小信號或虛擬 Simulink 總線的多線程仿真。

小結(jié)

通過數(shù)據(jù)流執(zhí)行域，您可以在 Simulink 模型中識別可以分布到多個線程中并行執(zhí)行的建模模式。這種方法可利用主機(jī) CPU 上閑置的處理能力，優(yōu)化吞吐量，并減少模型仿真時(shí)間。數(shù)據(jù)流執(zhí)行域最適合計(jì)算負(fù)載分散在整個模型中的情形（此時(shí)可引入并行機(jī)制），并且只能處理離散信號。

責(zé)任編輯：haq