目錄

引言

OpenMP簡介

編譯OpenMP支持的FFTW庫

部署與測試

測試程序

程序部署

測試結果

結語

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引言

在前面已經介紹了在ELF2開發板上運行FFTW計算FFT。今天嘗試利用RK3588的多核運算能力來加速FFT運算。FFTW利用多核能力可以考慮使用多線程或者OpenMP。今天介紹一下OpenMP的測試結果。

OpenMP簡介

OpenMP（Open Multi-Processing）是一種基于共享內存的并行編程模型，旨在簡化多核CPU的并行計算開發。它通過編譯器指令（Compiler Directives）、運行時庫函數和環境變量，幫助開發者輕松實現多線程并行化。

OpenMP的核心特性包括：

• 基于指令的并行化
  通過?#pragma omp?編譯指導語句實現并行控制，無需手動管理線程。

• 共享內存模型
  所有線程共享同一內存空間，可通過共享變量直接通信。

• 工作共享（Work-Sharing）
  自動將任務（如循環迭代）分配到多個線程。

• 數據環境管理
  明確控制變量的共享（shared）或私有（private）屬性。

• 動態線程調度
  支持運行時調整線程數量和任務分配策略。

編譯OpenMP支持的FFTW庫

FFTW默認的選項是不編譯OpenMP的，所以想使用OpenMP需要重新編譯一下FFTW庫。

交叉編譯前用如下命令配置：

 ./configure  --prefix=/mnt/d/test/install --host=arm-linux --enable-float --enable-openmp CC=aarch64-linux-gnu-gcc

然后執行make和make install就可以得到相應的頭文件和庫文件。此時庫文件會多一個libfftw3f_omp.a。

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部署與測試

測試程序

為了使程序支持OpenMP并利用多核系統提升速度，需要進行以下修改：

1. 包含OpenMP頭文件：添加#include <omp.h>以使用OpenMP函數。

2. 初始化FFTW多線程支持：在main函數開始時調用fftwf_init_threads()。

3. 設置FFTW使用的線程數：使用omp_get_max_threads()獲取可用線程數，并通過fftwf_plan_with_nthreads()配置。

4. 并行化初始化數據的循環（可選）：使用#pragma omp parallel for加速數據初始化。

5. 編譯時鏈接OpenMP和FFTW多線程庫：確保編譯器鏈接-lfftw3_omp并添加-fopenmp選項。

修改后的代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fftw3.h>
#include <time.h>
#include <omp.h>  // 添加OpenMP頭文件// 計算時間差（單位：微秒）
long long get_time_diff_us(struct timespec start, struct timespec end) {return (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000LL + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000;
}int main() {const int N = 2048;fftwf_complex *in, *out, *back;fftwf_plan p, q;struct timespec start, end;long long fft_time_us, ifft_time_us;// 初始化FFTW多線程支持fftwf_init_threads();int threads = omp_get_max_threads();  // 獲取可用線程數printf("可用線程數 = %d\n", threads);fftwf_plan_with_nthreads(threads);    // 設置FFTW使用的線程數// 分配內存in = (fftwf_complex*) fftwf_malloc(sizeof(fftwf_complex) * N);out = (fftwf_complex*) fftwf_malloc(sizeof(fftwf_complex) * N);back = (fftwf_complex*) fftwf_malloc(sizeof(fftwf_complex) * N);// 并行初始化輸入數據#pragma omp parallel for  // 使用OpenMP并行化循環for (int i = 0; i < N; i++) {in[i][0] = (float)i; // 實部in[i][1] = 0.0f;     // 虛部}// 創建FFT計劃p = fftwf_plan_dft_1d(N, in, out, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);// 記錄FFT開始時間clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);// 執行FFT（自動多線程加速）fftwf_execute(p);// 記錄FFT結束時間clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);// 計算FFT時間fft_time_us = get_time_diff_us(start, end);// 創建IFFT計劃q = fftwf_plan_dft_1d(N, out, back, FFTW_BACKWARD, FFTW_ESTIMATE);// 記錄IFFT開始時間clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);// 執行IFFT（自動多線程加速）fftwf_execute(q);// 記錄IFFT結束時間clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);// 計算IFFT時間ifft_time_us = get_time_diff_us(start, end);// 輸出結果printf("2048點單精度FFT所需時間: %lld 微秒\n", fft_time_us);printf("2048點單精度IFFT所需時間: %lld 微秒\n", ifft_time_us);// 釋放計劃和內存fftwf_destroy_plan(p);fftwf_destroy_plan(q);fftwf_free(in);fftwf_free(out);fftwf_free(back);return 0;
}

關鍵修改說明：

1. 多線程初始化：通過fftwf_init_threads()和fftwf_plan_with_nthreads()啟用FFTW的多線程支持。

2. 并行數據初始化：使用OpenMP指令加速數據填充循環（根據實際情況可選）。

3. FFT/IFFT并行計算：FFTW會在執行fftwf_execute()時自動使用配置的線程數進行并行計算。

這些修改使得FFT和IFFT計算過程能夠利用多核CPU，從而顯著提升處理速度。

程序編譯的命令行為：

aarch64-linux-gnu-gcc -o fftwtest-openmp fftwtest-openmp.c -Iinclude -Llib -lfftw3f -lm -lfftw3f_omp -fopenmp

程序部署

ELF2開發板默認是沒有OpenMP支持庫的，需要將主機的/usr/aarch64-linux-gnu/lib/libgomp.so.1 拷貝到開發板的/usr/lib目錄下，否則程序運行時會報告錯誤。

測試結果

我本來對程序的運行時間是沒啥期待的，因為2048點對于FFT計算來說太短了，很難并并行加速。結果還行，有些效果，差不多50微秒左右，比NEON加速還快一些。

?RK3588搭載四核A76+四核A55，所以OpenMP可用線程數為8。

結語

OpenMP加速的結果令人欣慰。不過CPU計算FFT可能也就是這個水平了，估計沒法大幅度提升了。?