加速MATLAB算法和应用- MATLAB和Simulink金宝app - 金宝app,下载188bet金宝搏,金宝搏官方网站

本文描述了可以用来加速MATLAB的技术^®算法和应用程序。主题包括:

评估代码的性能
 采用高效的串行编程实践
 使用系统对象
 在多核处理器和gpu上执行并行计算
 生成C代码

每一节重点介绍一种特定的技术，描述底层的加速技术，并解释何时最适用。您的编程专业知识、希望加速的算法类型以及可用的硬件可以帮助指导您选择技术¹．

评估代码的性能

在修改代码之前，您需要确定您的工作重点。支持这一过程的两个关键工具是代码分析器和MA金宝appTLAB分析器。在编写代码时，MATLAB编辑器中的代码分析器会检查代码。代码分析器识别潜在的问题，并建议进行修改，以最大限度地提高性能和可维护性(图1)。代码分析器报告可以在整个文件夹上运行，使您能够在单个文档中查看针对一组文件的所有代码分析器建议。

Profiler会显示代码在哪里花费时间。它提供了一个总结报告的执行代码,包括所有功能的列表,每个函数被调用的次数,并在每个函数所花费的总时间(图2)。该分析器还提供了时机每个函数的信息,比如这行代码使用最处理时间。

一旦您确定了瓶颈，您就可以专注于改进那些特定代码段的性能的方法。当您实现优化和技术以加快算法时，Profiler可以帮助您度量改进。

采用高效的串行编程实践

在考虑并行计算、代码生成或其他方法之前，优化串行代码的性能通常是一个很好的实践。有两种有效的编程技术可以加速你的MATLAB代码预先配置和向量化．

使用预分配，您可以使用该数组所需的最终大小初始化该数组。预分配可以帮助您避免动态调整数组的大小，特别是在代码包含为和而循环。由于MATLAB中的数组保存在连续的内存块中，重复调整数组大小通常需要MATLAB花费时间寻找更大的连续内存块，然后将数组移动到这些块中。通过预分配数组，可以避免这些不必要的内存操作，并提高总体执行时间。

向量化是将代码从使用循环转换为使用矩阵和向量操作的过程。MATLAB使用处理器优化的矩阵和向量计算库。因此，通常可以通过向量化代码来提高性能。

使用更大阵列的矢量化MATLAB计算可能是使用GPU加速的好选择。在这种情况下,为-loops不能被向量化，通常可以使用parallel为循环(parfor)或c代码生成来加速算法。有关这些技术的更多细节，请参阅并行计算和从MATLAB生成C代码的部分。

了解更多关于分析，预先配置，向量化,其他系列技术以提高性能。

利用优化算法使用系统对象

您可以使用系统对象™在信号处理和通信领域大大加速MATLAB代码。系统对象是MATLAB面向对象的算法实现，可在系统工具箱，包括通信系统工具箱™DSP系统工具箱™．通过使用System对象，可以将声明(System对象创建)与在System对象中找到的算法的执行解耦。这种解耦可以产生更有效的基于循环的计算，因为它只允许执行一次参数处理和初始化。您可以在循环外部创建和配置System对象的实例，然后在循环内部调用step方法来执行它。

DSP系统工具箱和通信系统工具箱中的大多数系统对象都实现为MATLAB可执行文件(mex files）.这种实现可以加速模拟，因为在对象的MEX实现中包含了许多算法优化。有关mex文件的更多细节，请参阅从MATLAB生成C代码一节。

了解更多关于使用System对象进行流处理，创建自己的System对象,模拟信号处理算法在MATLAB中使用System对象。

执行并行计算

到目前为止所描述的技术都集中在优化串行MATLAB代码的方法上。您还可以通过使用额外的计算能力来提高性能。MATLAB并行计算产品提供的计算技术可以让您利用多下载188bet金宝搏核处理器、计算机集群和gpu。

在多核处理器和集群上使用MATLAB Workers

并行计算工具箱™允许您在桌面多核机器上运行多个MATLAB工作程序(MATLAB计算引擎)。您可以通过在这些worker之间划分计算来加快应用程序的速度。与MATLAB中内置的多线程相比，这种方法使您能够更好地控制并行性。它通常用于较粗粒度的问题，如参数扫描和蒙特卡罗模拟。为了获得更大的加速，使用MATLAB worker的并行应用程序可以使用MATLAB parallel Server扩展到计算机集群或云™．

几个工具箱，包括优化工具箱™统计学和机器学习工具箱™，提供可以利用多工作并行性来加速计算的算法²．在大多数情况下，只需打开一个选项就可以使用并行算法。例如，跑步fmincon在并行优化工具箱中，你将“UseParallel”选项设置为“always”。

并行计算工具箱提供高级编程结构，例如parfor．使用parfor你可以加速为在MATLAB代码中，通过划分循环迭代，以便在多个MATLAB工作人员之间同时执行(图3)。

使用parfor，循环迭代必须是独立的，不依赖于任何其他迭代。要加速依赖或基于状态的循环，可以重新排序计算，使循环成为顺序无关的。或者，也可以并行化包含为循环。如果这些选项不可行，要么优化主体为-loop或考虑生成C代码。

通过在客户端和MATLAB工作者之间传输数据parfor循环，你会产生通讯成本。这意味着使用它可能没有任何好处parfor当你只有少量的简单计算时。如果是这种情况，请将重点放在并行化外部为-loop包含更简单的为循环。

的批处理命令可用于在MATLAB工作者之间分发独立的计算集，以便作为批作业进行脱机处理。当这些计算需要很长时间运行，而您需要释放桌面MATLAB进行其他工作时，这种方法特别有用。

使用gpu

图形处理单元(graphics progressive unit, gpu)最初用于加速图形渲染，也可应用于信号处理、计算金融、能源生产等领域的科学计算。

您可以直接从MATLAB在NVIDIA gpu上执行计算。FFT、IFFT和线性代数运算是100多个可以直接在GPU上执行的内置MATLAB函数之一。这些重载函数可以在GPU或CPU上操作，具体取决于传递给它们的参数的数据类型。当给定GPUArray(一种由并行计算工具箱提供的特殊数组类型)的输入参数时，这些函数将自动在GPU上运行(图4)。几个工具箱，包括通信系统工具箱和信号处理工具箱™，也提供gpu加速算法。

两个经验法则将确保您的计算密集型问题是一个很好的适合GPU。首先，当所有的内核都处于忙碌状态时，利用GPU固有的并行特性，你会看到GPU的最佳性能。在更大的数组和支持gpu的工具箱函数上使用向量化MATLAB计算的代码就属于这一类。其次，应用程序在GPU上运行所需的时间应该远远超过应用程序执行期间在CPU和GPU之间传输数据所需的时间。

对于GPU的更高级使用，如果你熟悉CUDA编程，你可以直接从MATLAB运行现有的基于CUDA的GPU内核。然后，您可以使用MATLAB中的数据分析和可视化功能，同时更直接地控制您的GPU算法。

从MATLAB代码生成C代码

用自动生成的MATLAB可执行文件(MEX-function)替换部分MATLAB代码可以提高速度。使用MATLAB编码器™，您可以生成可读和可移植的C代码，并将其编译为一个mex -函数，以替代MATLAB算法的等效部分(图5)。您还可以利用多核处理器，从parfor构造。

实现的加速度取决于算法的性质。确定加速度的最好方法是使用MATLAB Coder生成一个mex函数，并直接测试加速。如果算法包含单精度数据类型、定点数据类型、带有状态的循环或无法向量化的代码，则很可能会看到提速。另一方面，如果你的算法包含MATLAB隐式多线程计算，比如fft和圣言会例如，调用IPP或BLAS库的函数，为在MATLAB中PC上执行而优化的函数，如fft，或可以向量化代码的算法，提速的可能性较小。MATLAB编码器,遵循最佳实践，并咨询MathWorks技术专家，以找到使用这种方法加速算法的最佳方法。

很多MATLAB语言和一些工具箱都支持代码生成。金宝appMATLAB Coder提供了自动工具来帮助您评估算法的代码生成准备情况，并指导您完成c代码生成的步骤(图6)。