Fixed-Point Designer

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固定小数点数学属性の設定

この例では、MATLAB コードで固定小数点数学属性を設定する方法を説明します。

代入、加算、減算、乗算の固定小数点数学属性は、fimathfimath オブジェクトを使用して制御できます。setfimathsetfimath を使用すると、fimath オブジェクトを fifi オブジェクトに付加できます。removefimathremovefimath を使用すると、fimath オブジェクトを fi オブジェクトから削除できます。

MATLAB Coder™ ソフトウェアをおもちの場合は、例から C コードを生成できます。

固定小数点数学属性の設定と削除

関数 setfimathsetfimath および removefimathremovefimath を使用すると、固定小数点演算がグローバルおよびローカル fimathfimath 設定の影響を受けないようにすることができます。出力変数に fimath が付加されていない関数から返すこともできます。これにより、他の関数の設定に影響を与えずに、固定小数点の数学設定をローカル制御できるようになります。

MATLAB コード

function y = user_written_sum(u)
    % Setup
    F = fimath('RoundingMethod','Floor',...
        'OverflowAction','Wrap',...
        'SumMode','KeepLSB',...
        'SumWordLength',32);
    u = setfimath(u,F);
    y = fi(0,true,32,get(u,'FractionLength'),F);
    % Algorithm
    for i=1:length(u)
        y(:) = y + u(i);
    end
    % Cleanup
    y = removefimath(y);
end

FIMATH が付加されていない出力

コードを実行すると fimath が関数内の演算を制御しますが、戻り値には fimath が付加されません。これは、関数 user_written_sum 内で setfimathremovefimath を使用するためです。

>> u = fi(1:10,true,16,11);
>> y = user_written_sum(u)
y =
    55
          DataTypeMode: Fixed-point: binary point scaling
            Signedness: Signed
            WordLength: 32
        FractionLength: 11

生成した C コード

MATLAB Coder ソフトウェアをおもちの場合は、次のコマンドを使って C コードを生成できます。

>> u = fi(1:10,true,16,11);
>> codegen user_written_sum -args {u} -config:lib -launchreport

関数 fimathsetfimath および removefimath は固定小数点演算を制御しますが、変数に格納されている元のデータは変わらないため、生成 C コードではデータのコピーが生成されません。

int32_T user_written_sum(const int16_T u[10])
{
  int32_T y;
  int32_T i;
  /* Setup */
  y = 0;
  /* Algorithm */
  for (i = 0; i < 10; i++) {
    y += u[i];
  }
  /* Cleanup */
  return y;
}

FIMATH の不一致

複数の fi オブジェクトに対して演算を行う場合、これらの fimath プロパティは等しくなければなりません。そうでないとエラーが発生します。

>> A = fi(pi,'ProductMode','KeepLSB');
>> B = fi(2,'ProductMode','SpecifyPrecision');
>> C = A * B
Error using embedded.fi/mtimes
The embedded.fimath of both operands must be equal.

このエラーが発生しないようにするには、fimath を式の変数のいずれかで削除します。次の例では、fimathB 自体を変更せずに式のコンテキストで B から削除されており、A に付加されている fimath を使って積が計算されています。

>> C = A * removefimath(B)
C =
                6.283203125
           DataTypeMode: Fixed-point: binary point scaling
             Signedness: Signed
             WordLength: 32
         FractionLength: 26
         RoundingMethod: Nearest
         OverflowAction: Saturate
            ProductMode: KeepLSB
      ProductWordLength: 32
                SumMode: FullPrecision

一時変数での FIMATH の変更

fimath が付加されていない変数があり、特定の演算を制御する場合、変数を変更せずに式のコンテキストで fimath を付加することができます。

たとえば、積は F で定義された fimath で計算されます。

>> F = fimath('ProductMode','KeepLSB','OverflowAction','Wrap','RoundingMethod','Floor');
>> A = fi(pi);
>> B = fi(2);
>> C = A * setfimath(B,F)
C =
     6.2832
           DataTypeMode: Fixed-point: binary point scaling
             Signedness: Signed
             WordLength: 32
         FractionLength: 26
         RoundingMethod: Floor
         OverflowAction: Wrap
            ProductMode: KeepLSB
      ProductWordLength: 32
                SumMode: FullPrecision
       MaxSumWordLength: 128

変数 B は変更されていないことに注意してください。

>> B
B =
      2
           DataTypeMode: Fixed-point: binary point scaling
             Signedness: Signed
             WordLength: 16
         FractionLength: 13

ループで競合する FIMATH の削除

負方向の丸めとオーバーフローのラップのある DSP アキュムレータに一致するように積と和を計算し、最近傍への丸めと飽和オーバーフローを出力で使用することができます。fimath の不一致エラーの発生を回避するには、他の変数と計算する場合に fimath を出力変数から削除します。

MATLAB コード

この例では、積は 32 ビット、アキュムレータは 40 ビットであり、C のネイティブ整数ルールのように負方向の丸めとオーバーフローのラップをもつ最下位のビットを維持しています。出力は、最近傍への丸めと飽和オーバーフローを使用します。

function [y,z] = setfimath_removefimath_in_a_loop(b,a,x,z)
    % Setup
    F_floor = fimath('RoundingMethod','Floor',...
           'OverflowAction','Wrap',...
           'ProductMode','KeepLSB',...
           'ProductWordLength',32,...
           'SumMode','KeepLSB',...
           'SumWordLength',40);
    F_nearest = fimath('RoundingMethod','Nearest',...
        'OverflowAction','Wrap');
    % Set fimaths that are local to this function
    b = setfimath(b,F_floor);
    a = setfimath(a,F_floor);
    x = setfimath(x,F_floor);
    z = setfimath(z,F_floor);
    % Create y with nearest rounding
    y = coder.nullcopy(fi(zeros(size(x)),true,16,14,F_nearest));
    % Algorithm
    for j=1:length(x)
        % Nearest assignment into y
        y(j) =  b(1)*x(j) + z(1);
        % Remove y's fimath conflict with other fimaths
        z(1) = (b(2)*x(j) + z(2)) - a(2) * removefimath(y(j));
        z(2) =  b(3)*x(j)         - a(3) * removefimath(y(j));
    end
    % Cleanup: Remove fimath from outputs
    y = removefimath(y);
    z = removefimath(z);
end

コード生成の手順

MATLAB Coder ソフトウェアをおもちの場合は、次のコマンドを使って指定ハードウェアの特性をもつ C コードを生成できます。

N = 256;
t = 1:N;
xstep = [ones(N/2,1);-ones(N/2,1)];
num = [0.0299545822080925  0.0599091644161849  0.0299545822080925];
den = [1                  -1.4542435862515900  0.5740619150839550];
b = fi(num,true,16);
a = fi(den,true,16);
x = fi(xstep,true,16,15);
zi = fi(zeros(2,1),true,16,14);
B = coder.Constant(b);
A = coder.Constant(a);
config_obj = coder.config('lib');
config_obj.GenerateReport = true;
config_obj.LaunchReport = true;
config_obj.TargetLang = 'C';
config_obj.GenerateComments = true;
config_obj.GenCodeOnly = true;
config_obj.HardwareImplementation.ProdBitPerChar=8;
config_obj.HardwareImplementation.ProdBitPerShort=16;
config_obj.HardwareImplementation.ProdBitPerInt=32;
config_obj.HardwareImplementation.ProdBitPerLong=40;
codegen -config config_obj setfimath_removefimath_in_a_loop -args {B,A,x,zi} -launchreport

生成した C コード

関数 fimathsetfimath および removefimath は固定小数点演算を制御しますが、変数に格納されている元のデータは変わらないため、生成 C コードではデータのコピーが生成されません。

void setfimath_removefimath_in_a_loop(const int16_T x[256], int16_T z[2],
  int16_T y[256])
{
  int32_T j;
  int40_T i0;
  int16_T b_y;
  /* Setup */
  /* Set fimaths that are local to this function */
  /* Create y with nearest rounding */
  /* Algorithm */
  for (j = 0; j < 256; j++) {
    /* Nearest assignment into y */
    i0 = 15705 * x[j] + ((int40_T)z[0] << 20);
    b_y = (int16_T)((int32_T)(i0 >> 20) + ((i0 & 524288L) != 0L));
    /* Remove y's fimath conflict with other fimaths */
    z[0] = (int16_T)(((31410 * x[j] + ((int40_T)z[1] << 20)) - ((int40_T)(-23826
      * b_y) << 6)) >> 20);
    z[1] = (int16_T)((15705 * x[j] - ((int40_T)(9405 * b_y) << 6)) >> 20);
    y[j] = b_y;
  }
  /* Cleanup: Remove fimath from outputs */
}

ポリモーフィック コード

setfimathremovefimath を使って、浮動小数点と固定小数点の両方の型で使用できる MATLAB コードを記述できます。

function y = user_written_function(u)
    % Setup
    F = fimath('RoundingMethod','Floor',...
        'OverflowAction','Wrap',...
        'SumMode','KeepLSB');
    u = setfimath(u,F);
    % Algorithm
    y = u + u;
    % Cleanup
    y = removefimath(y);
end

固定小数点入力

関数が固定小数点入力で呼び出されて fimath F が演算に使用される場合、出力には fimath が付加されません。

>> u = fi(pi/8,true,16,15,'RoundingMethod','Convergent');
>> y = user_written_function(u)
y =
             0.785400390625
           DataTypeMode: Fixed-point: binary point scaling
             Signedness: Signed
             WordLength: 32
         FractionLength: 15

固定小数点の C コードの生成

MATLAB Coder ソフトウェアをおもちの場合は、次のコマンドを使って C コードを生成できます。

>> u = fi(pi/8,true,16,15,'RoundingMethod','Convergent');
>> codegen user_written_function -args {u} -config:lib -launchreport

関数 fimathsetfimath および removefimath は固定小数点演算を制御しますが、変数に格納されている元のデータは変わらないため、生成 C コードではデータのコピーが生成されません。

int32_T user_written_function(int16_T u)
{
  /* Setup */
  /* Algorithm */
  /* Cleanup */
  return u + u;
}

double 入力

setfimathremovefimath は浮動小数点型に対してパススルーのため、user_written_function の例は浮動小数点型でも機能します。

function y = user_written_function(u)
    % Setup
    F = fimath('RoundingMethod','Floor',...
        'OverflowAction','Wrap',...
        'SumMode','KeepLSB');
    u = setfimath(u,F);
    % Algorithm
    y = u + u;
    % Cleanup
    y = removefimath(y);
end

double 向け C コードの生成

浮動小数点入力でコンパイルするとき、次の C コードが生成されます。

>> codegen user_written_function -args {0} -config:lib -launchreport
real_T user_written_function(real_T u)
{
  return u + u;
}

ここで、real_T 型は次のように double として定義されます。

typedef double real_T;

ポリモーフィック コードの詳細

次の関数は、出力が入力と同じ型で作成されるように記述されています。そのため、浮動小数点と固定小数点の両方で使用できます。

function y = user_written_sum_polymorphic(u)
    % Setup
    F = fimath('RoundingMethod','Floor',...
        'OverflowAction','Wrap',...
        'SumMode','KeepLSB',...
        'SumWordLength',32);
     u = setfimath(u,F);
     if isfi(u)
         y = fi(0,true,32,get(u,'FractionLength'),F);
     else
         y = zeros(1,1,class(u));
     end
     % Algorithm
     for i=1:length(u)
         y(:) = y + u(i);
     end
     % Cleanup
     y = removefimath(y);
end

固定小数点の C コードの生成

MATLAB Coder ソフトウェアをおもちの場合は、次のコマンドを使って固定小数点 C コードを生成できます。

>> u = fi(1:10,true,16,11);
>> codegen user_written_sum_polymorphic -args {u} -config:lib -launchreport

関数 fimathsetfimath および removefimath は固定小数点演算を制御しますが、変数に格納されている元のデータは変わらないため、生成 C コードではデータのコピーが生成されません。

int32_T user_written_sum_polymorphic(const int16_T u[10])
{
  int32_T y;
  int32_T i;
  /* Setup */
  y = 0;
  /* Algorithm */
  for (i = 0; i < 10; i++) {
    y += u[i];
  }
  /* Cleanup */
  return y;
}

浮動小数点の C コードの生成

MATLAB Coder ソフトウェアをおもちの場合は、次のコマンドを使って浮動小数点 C コードを生成できます。

>> u = 1:10;
>> codegen user_written_sum_polymorphic -args {u} -config:lib -launchreport
real_T user_written_sum_polymorphic(const real_T u[10])
{
  real_T y;
  int32_T i;
  /* Setup */
  y = 0.0;
  /* Algorithm */
  for (i = 0; i < 10; i++) {
    y += u[i];
  }
  /* Cleanup */
  return y;
}

ここで、real_T 型は次のように double として定義されます。

typedef double real_T;

整数型の SETFIMATH

fi オブジェクトのような組み込み整数の確立した処理パターンに従って、setfimathfimath が付加された同等の fi に整数入力を変換します。

>> u = int8(5);
>> codegen user_written_u_plus_u -args {u} -config:lib -launchreport
function y = user_written_u_plus_u(u)
    % Setup
    F = fimath('RoundingMethod','Floor',...
        'OverflowAction','Wrap',...
        'SumMode','KeepLSB',...
        'SumWordLength',32);
    u = setfimath(u,F);
    % Algorithm
    y = u + u;
    % Cleanup
    y = removefimath(y);
end

出力型は、fimath で 32 ビットと指定されています。

int32_T user_written_u_plus_u(int8_T u)
{
  /* Setup */
  /* Algorithm */
  /* Cleanup */
  return u + u;
}