多核架构及编程技术

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巅袁
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1 武汉大学多核架构及编程技术教学课程之第七章 IPP 程序设计

2 What is IPP? Integrated Performance Primitives 集成性能基元

5 主要内容 IPP 简介通过 IPP 获得更高的性能编程基础编程示例

6 IPP 简介面向 Intel 处理器和芯片的函数库信号处理, 图像处理, 多媒体, 向量处理等具有跨平台和操作系统的通用 API 提供高性能的代码

11 性能优化的函数

14 IPP 与 Intel 其它组件的关系 Applications Primitives Interface Intel Math Kernel Library Sample code Intel Integrated Performance Primitives (IPP) OpenCV Processorspecific Functions Intel Itanium Architecture IA32 IA32 Intel Pentium IA32 and Xeon processors Intel PCA application Intel PCA processors application processors 易于在多种平台上开发

15 面向处理器和芯片组自动选择处理器相关的 DLL 和体系结构相关的指令集 Integrated Performance Primitives (IPP) Itanium Architecture Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor Xeon processor Full IA-32 Family MMX technology Streaming SIMD Extensions Streaming SIMD Extensions-2 Intel PCA application processors based on XScale technology

16 跨平台和操作系统支持多种平台 MMX,, Streaming SIMD Extensions (SSE) and Streaming SIMD Extensions 2 (SSE-2) Technologies IA-32 (including Intel Xeon processor) Itanium architecture Intel XScale micro-architecture 支持多种操作系统 Windows NT* 4.0 / Windows 2000* /Windows XP* Windows XP* 64-bit Linux* & Linux-64 Windows CE*, Linux in embedded device

17 不需要写底层 ( 汇编 ) 代码, 获得优化的应用程序

18 更多的特性支持 : SPL (Signal Processing Library) IPL (Image Processing Library) IJL (Intel JPEG Library) RPL (Recognition Primitives Library) supporting migration to new platforms

19 编解码原语 : 更多的特性 MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, JPEG2000 G.729, G.723, GSM AMR 编解码采样 : MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 G.729, G.723, GSM AMR supporting video, image and speech encoding/decoding

20 更多的特性支持更多的颜色模式和转换 and much, much more! tell us what you want!

21 通过 Intel IPP 获得更高的性能

22 对 IPP 性能的评论 Leo Volfson,, President and Chief Technology Officer, Inetcam,, Inc. The Intel Integrated Performance Primitives (IPP) has enhanced the ivista* * application to be more in line with customers' expectations. For example, it enables us to dynamically rescale, in real-time, a video stream without loss of performance. This capability would not be possible without IPP. The Intel IPP provided a 300% improvement in the number of users who can simultaneously participate in a webcast.. In addition, the migration from the Intel Pentium III to the Intel Pentium 4 took only a day.

23 对 IPP 性能的评论 Bryan Cook, Software Architect, AuSIM Inc, Los Altos, California October 2001 AuSIM Inc. delivers the most advanced audio simulation technology for mission-critical aural displays and simulations. With Intel s s Integrated Performance Primitives (IPP), AuSIM has leveraged 4X performance gains within its AuSIM3D* audio simulation technology. directly enhances AuSIM s ability to provide the ultimate audio solutions for simulations, team communications, audio production, tele-conferences, and aural information displays.

24 Demo Minor effort, major gains 通过 Intel IPP, 很小的代码改变可以获得极大的性能通过将运行时的函数调用替换为 IPP, 应用程序模块的性能可以得到极大的改进 1x 4x pfltmp=flargsin[thrd].algptr; for(t=0; t<4*iwvmeshsize; t++) { pfltmp[t]=(float)sin(pfltmp[t]); } ippssin_32f_a11(flargsin[thrd]. algptr,flargsin[thrd].algptr, 4*iWvMeshSize);

25 编程基础编程环境设置与约定编程示例

26 IPP 函数命名 ippsaddc_8u_i(); Prefix ipps, ippi, ippm Basename E.g. Add, DCT, etc. Data array type Indicates bit depth & integer / floating point E.g. 8u, 16s, 32f Descriptors Indicates data layout variants

27 数据类型和布局对数据类型的特殊优化 (8u, 16s, 32f) 对数据布局的特殊优化 (pixel, planer ) 对数据类型和布局的转换函数的优化 ippsconvert_8u_32f() ippsinterleave_16s() ippirgbtoyuv_8u_c3p3r() Interleaving: L/R/L/R/L/R stereo RGBRGBRGB color image RGBARGBA color +alpha Color Models: YCbCr (4:4:4, 4:2:2) YUV (4:2:2, 4:2:0) YCC, HLS, RGB, RGBA

28 IPP 基础类型代码 Intel IPP 类型 C 语言中的定义 8u Ipp8u unsigned char 8s Ipp8s char 16u Ipp16u unsigned short 16s Ipp16s short 32u Ipp32u unsigned int 32s Ipp32s int 32f Ipp32f float 64f Ipp64f double 1u Ipp8u unsigned char* bitstream, int offset 16sc Ipp16sc struct { Ipp16s re; Ipp16s im;} Ipp16sc 32sc Ipp32sc struct { Ipp32s re; Ipp32s im;} Ipp32sc 32fc Ipp32fc struct { Ipp re; Ipp im;} Ipp32fc 64fc Ipp64fc struct { Ipp re; Ipp im;} Ipp64fc

29 数据布局 pixel 格式中, 每个像素所有位都被顺序存储在 planer 格式中, 每个像素的第一位被存储, 接着每个像素的第二位被存储, 等等

30 ipps 函数描述符代码描述例子 ippssqrt A11 用于高级算法运算, 详述精确的结 ippssqrt_32fa24 Axx 果位数 ippscos A50 ippscos A53 I 运算是一体的运算结果被写回源变量, 自变量既是源变量又是目标变量 ippsflip_16u( 三个自变量 src,dst, len) ippsflip_16u_i ( 两个自变量, srcdst,len) Sfs 此函数缩放了运算的结果, 通过变量 ScaleFactor 转换这通常在运算结果太大时, 用于保持结果精度 ippsaddc_16s_sfs ( src, val, dst, len,scalefactor) 用 src 和 val 相加得到的结果处以 scalefactor, 结果存入 dst

31 ippi 函数的描述符编码编码描述例子 AC4 图像具有 4 个通道, 第四个通道是 α 通道当用这种方法标识时,α 通道将被排除在运算外 ippiaddc_8u_ac4r ippimean_8u_ac4r C1,C3,C4 C2 图像在内存中具有 1,3 或 4 个通道的交叉数据大多数情况下用来表示一个通道的 C1 也可以用于多平面图像图像在内存中具有交叉的通道这是种特殊情况, 在这种情况下第二个通道本身经常是两个交叉子通道组成的它的大小和变量都是基于双通道图像的 ippidct8x8fwd_16s_c1t ippirgbtoyuv_8u_c3r ippiycbcr422torgb_8u_c3r ippijoin422_9u_p2r I M P3,P4 R 运算的结果被写回源程序, 因此变量既是源代码又是目标代码运算使用模板来判断该对哪个像素进行运算图像具有 3 个或 4 个通道的数据分布在独立的平面 ; 运算采用指针序列对图像平面进行运算函数在输入图像中定义的兴趣区域运算大多数图像处理函数有此描述符并使用 ROI ippidct8x8fwd_16s_c1( 用三个图像作为变量 src1, src2 和 dst) ippidct8x8fwd_16s_c1t( 用两个图像作为变量 src 和 srcdst) ippiset_8u_c1mr(val, dst, dststep, size, mask, maskstep) ippirgbtoycbcr420_8u_c3p3r( 用交叉的 RGB 图像作为输入并把结果写入三个分立的输出序列中 ) Sfs 此函数缩放运算的结果, 通过变量 ScaleFactor 转换这通常在运算结果太大时, 用于保持结果精度 ippiaddc_8u_ac4sfs(src, values, dst, size, scalefactor) 用 src 和 value 相加得到的结果处以 scalefactor, 结果存入 dst

32 Selecting Between Linking Models dynamically using the run-time dynamic link libraries (DLLs) statically using e-merged and merged static libraries statically without automatic dispatching using merged static libraries dynamically building your own, custom, DLL.

33 Summary of Intel IPP Linkage Model Comparison

34 To dynamically link with Intel IPP 1. Include ipp.h which will include the include files of all IPP domains, 2. Use the normal IPP function names when calling IPP functions, 3. Link corresponding domain import libraries. For example, if you use the ippscopy_8u function, link against ipps.lib, 4. Make sure that run-time libraries, for example ipps.dll are on the executable search path at run time. Run the ippenv.bat from directory \tools\env to ensure this application built with Intel IPP dynamic libraries will load the appropriate processor-specific DLL.

35 To dynamically link with Intel IPP To use the dynamic linking libraries, you need to link to ipp*.lib files in the \stublib directory. Intel IPP domain-specific functions are included in this directory. For example, ippj.lib is the JPEG library and ippi.lib is the image processing library (see Building an Application for details). You need to link to all corresponding domain libraries used in your applications. For example, your application uses three Intel IPP functions ippicopy_8uc1r, ippicanny_16s8u_c1r and ippmmul_mc_32f. These three functions belong to the image processing domain, computer vision domain and matrix domain respectively. In order to include these functions into your application, you need to link to the following three Intel IPP libraries: ippi.lib ippcv.lib ippm.lib

36 Libraries used for each linking model - 1

37 Libraries used for each linking model - 2

38 VC6.0 编程头文件与库文件路径设置

39 VC6.0 编程头文件与库文件路径设置

40 VC6.0 编程链接时的库文件设置

41 VC.NET 编程头文件路径设置在主菜单中选择工具 \ 选项一项, 弹出以下界面

42 VC.NET 编程库文件路径设置

$在主菜单中选择项目 \xx 属性一项,$

43 VC.NET 编程链接时的库文件设置在主菜单中选择项目 \xx 属性一项, 弹出以下界面

44 用 IppGetCpuClocks 测试性能处理器利用时钟来组织其运算每次处理器时钟改变状态时, 处理器就执行一些计算在几乎所有情况下, 始终以固定的频率振动, 所以计算始终振动的次数是一个很好的计时方式为了允许使用该时钟做性能测试, 许多 Intel 处理器的核包含了一个可以计算时钟振动次数的记录器 Intel IPP 函数 IppGetCpuClocks 轮询这个 64 位记录器两个记录器相减就能得到一个非常精确的处理器消逝时间的结果这个结果是最细颗粒消逝时间测量方法, 尽管, 这要取决于程序, 它并不一定是最为精确的运算性能测量方法

45 #include "stdafx.h" stdafx.h" #include ipp.h // 引入头文件 int main(int argc,, char* argv[]){ } Ipp64u start, end; 运算计时编程 start=ippgetcpuclocks ippgetcpuclocks(); // 得到开始 CPU 时钟 end=ippgetcpuclocks ippgetcpuclocks(); // 得到终止 CPU 时钟 printf("clocks to do nothing: %d\n",(ipp32s)(end - start)); start = ippgetcpuclocks(); printf("hello World\n"); end = ippgetcpuclocks(); printf("clocks to print 'hello world': %d\n",(ipp32s)(end - start)); return 0;

46 #include "stdafx.h" stdafx.h" 数据拷贝示例 #include ipp.h // 引入头文件 int main(int argc,, char* argv[]){ } const int SIZE = 256; Ipp8u psrc[size], pdst[size]; // 定义数组 int i; for (i=0; i<size; i++) psrc[i] ] = (Ipp8u)i; // 初始化数组 ippscopy_8u(psrc, pdst,, SIZE); // 数组拷贝 psrc > pdst printf("pdst[%d] ] = %d\n",% SIZE-1, pdst[size-1]); return 0;

47 IPP 的应用信号处理中的优化应用图像处理中的优化应用

48 IPP 对信号处理的优化 IPP 为信号处理应用提供了优化的性能信号的生成信号的转换时域频域的转换 (FFTs) 滤波器 (FFT, FIR)

49 Lab IPP 对信号处理的优化 Support conj, copy, imag,, real, zero, set Convert polar/cart, complex/real integer/float up/down sample Windowing Bartlett, Blackman, Hamming, Hann,, Kaiser Signal Generation random, wave patterns Filters FIR, IIR median Transforms FFT, DFT, Goertzel,, DCT, wavelet Statistics norms, threshold, min / max / std.dev.,., mean, powerspectr Audio A-law / mu-law, preemphasize

50 IPP 中的信号发生函数函数名 ippstone_direct ippstriangle_direct ippsrandgaussinitalloc, ippsranduniforminitalloc ippsrandfauss, ippsranduniform, ippsrandgauss_direct, ippsranduniform_direct 产生一个正弦波产生一个三角波功能描述随机序列发生器状态初始化产生高斯随即序列或同一分类的随机序列 ippsvectorjaehne ippsvectorramp 产生 Jaehne 信号产生一个线性增加或线性衰减的斜坡信号

51 示例产生长度为 len 大小为 0.1 的 Jaehne 信号 psrc: ippsvectorjaehne_32f(psrc,len,0.1)

52 运用 ippsfir 的简单时域滤波产生一个滤波系数为 {0.25, ,0.25} 0.25} 的滤波器 void myfiltera_32f(ipp32f* psrc,, Ipp32f*pDst pdst, int len) { // Low-pass filter: Ipp32f taps[] = { 0.25f, 0.5f, 0.25f }; Ipp32f delayline[] = { 0.0f, 0.0f, 0.0f}; IppsFIRState_32f *pfirstate* pfirstate; ippsfirinitalloc_32f( &pfirstate& pfirstate,, taps, 3, delayline ); ippsfir_32f(psrc, pdst, len, pfirstate ); ippsfirfree_32f(pfirstate); }

53 IPP 中的相关函数函数名 ippscrosscorr_* ippscrosscorr_norma_* ippscrosscorr_normb_* ippsautocorr_* ippsautocorr_norma_* ippsautocorr-normb_* 功能描述将两信号非标准化相关将两信号标准化有偏相关, 标准化因子为 1/srcLen 将两信号标准化无偏相关, 相关因子为 1/(srcLen-n) 非标准化自相关标准化有偏自相关标准化无偏自相关

54 IPP 中的 FIR 函数函数名功能描述 ippsfir_* ippsfirone_* ippsfir_direct_* ippsfirone_direct_* IppsFIRMR_Direct_* FIR, 需要初始化 FIR, 一次采样输入, 需要初始化 FIR, 不需要初始化 FIR, 一次采样输入, 不需要初始化 FIR, 可重复采样, 不需要初始化

55 IPP 对图像处理的优化 IPP 为图像处理应用提供了优化的性能图像生成颜色转换变形和过滤算术和逻辑操作几何变形编解码支持 (MPEG-1, -2, -4, H.263)

56 Lab IPP 对图像处理的优化 Arithmetic & Logical Transforms Abs, Add, convolve, cross- FFT, DFT, DCT, wavelet correlation, div, exp, ln, LShift, Statistics normalize, mul, RShift, sqr, sqrt,, sub, threshold norms, threshold, min / max / std.dev.,., mean, powerspectr, And, not, or moments Compare Geometric Phase, magnitude Mirror, Convert rotate, resize, remap Pixel/planar Alpha Composite Color conversions Gamma correction Filters Image Generation User-defined and built-in in

57 图像阈值操作实例 void Posterize(unsigned char* ppixeldata, int width, int height) { IppiSize roi = { width, height}; // 定义兴趣区域 Ipp8u thresholds[] = { 128, 128, 128}; // 定义三个通道的阈值 Ipp8u valueslt[] = { 0, 0, 0 }; // 设定三个通道的最低值 Ipp8u valuesgt[] = { 255, 255, 255}; // 设定三个通道的最高值 ippithreshold_ltvalgtval_8u_c3ir(ppixeldata,width*3, roi, Thresholds,valuesLT,thresholds,valuesGT);// 调用阈值化函数 }

58 三角波信号卷积波形图

59 #include "stdafx.h" stdafx.h" #include "ipp.h" ipp.h" #include "tools.h" tools.h int main(int argc,, char* argv[]) { const int len1 = 64, len2 = 64; Ipp16s* psrc1 = ippsmalloc_16s(len1 len1); // 存放源信号的数组 Ipp16s* psrc2 = ippsmalloc_16s(len2 len2); // 存放源信号的数组 Ipp16s* pdst = ippsmalloc_16s(len1+len2 len1+len2-1); // 存放输出信号的数组 // Generate two triangle-wave signals, with different phases 产生二个三角波信号 float phase= f; // 相位 =π ippstriangle_direct_16s(psrc1, len1, 256.0f, 2.0/len1, 0.0f, &phase); ippsaddc_16s_i(256, psrc1, len1); // 信号输出由 -256,256 归一化到归一化到 0,512 phase=0.0; // 相位 =0 ippstriangle_direct_16s(psrc2, len2, 256.0f, 2.0/len2, 0.0f, &phase); ippsaddc_16s_i(256, psrc2, len2); // Convolve 求卷积, 结果数据存放在 pdst ippsconv_16s_sfs(psrc1, len1, psrc2, len2, pdst,, 8); ippsfree(psrc1); // 释放内存资源 ippsfree(psrc2); ippsfree(pdst); return 0; } IPP 编程完整实例

60 图像处理完整示例利用 IPP 创建一幅图像并用 OpenCV 显示它. #include "cv.h" cv.h" #include "highgui.h" highgui.h" #include "ipp.h" ipp.h" #include <stdio.h< stdio.h> int main() { Ipp8u *gray = NULL; // 定义一幅图像, 类型为 Ipp8u IppiSize size; // 定义存储图像大小的变量 IplImage* img = NULL; // 定义一幅 IplImage 类型的图像 CvSize sizeimg; int i = 0, j = 0; size.width = 640; size.height = 480; gray = (Ipp8u *) ippsmalloc_8u( size.width * size.height ); // 为图像申请内存 for ( i = 0; i < size.height; ; i++ ) for ( j = 0; j < size.width; ; j++ ) *( gray + i * size.width + j ) =(Ipp8u) abs( 255 * cos( ( (Ipp32f) ( i * j ) ) );// 给 gray 赋值

61 图像处理完整示例 ( 续 ) sizeimg.width = size.width; sizeimg.height = size.height; img = cvcreateimage( sizeimg,, 8, 1 ); cvsetimagedata( img,, gray, sizeimg.width ); // 将 gray 中数据传给 img cvnamedwindow( image,, 0 ); // 创建一个新的窗口, 并命名为 Image cvshowimage( image, img ); // 在 image 窗口中显示 img 图像 cvwaitkey(0); // 等待关闭窗口的命令 cvdestroywindow( image ); // 销毁 image 窗口 ippsfree( ( gray ); // 调用 IPP 函数释放 gray 所占内存 cvreleaseimage( ( &img& ); // 调用 OpenCV 函数释放 img 所占内存 return( 0 ); }

62 实验内容参照 PPT 课件示例编写调试基于 IPP 的时钟计时信号处理和图像处理程序利用 IPP 的时钟计时函数记录二个三角波卷积处理过程的时钟差和数据组拷贝过程的时钟差

软件测试（TA07）第一学期考试

软件测试（TA07）第一学期考试一判断题 ( 每题 1 分, 正确的, 错误的,20 道 ) 1. 软件测试按照测试过程分类为黑盒白盒测试 ( ) 2. 在设计测试用例时, 应包括合理的输入条件和不合理的输入条件 ( ) 3. 集成测试计划在需求分析阶段末提交 ( ) 4. 单元测试属于动