CN110244939A - 一种基于OpenCL的RS码编解码方法 - Google Patents

一种基于OpenCL的RS码编解码方法 Download PDF

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Abstract

一种基于OpenCL的RS码编解码方法，包括以下步骤：步骤1，在OpenCL内核中采用查表法实现GF(2^8)的乘法运算；步骤2，编译步骤1编写的内核程序生成硬件配置文件；步骤3，初始化OpenCL内核启动环境；步骤4，宿主机程序控制内核执行；步骤5，纠删码编码；步骤6，纠删码解码。本发明可以充分的发挥出OpenCL设备的并行性能，极大的缩短了RS码编解码的计算时间。

Description

一种基于OpenCL的RS码编解码方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种基于OpenCL的RS码编解码方法。
背景技术
OpenCL(Open Computing Language)是由Khronos Group针对异构计算装置进行并行化运算所设计的标准API以及程序语言。OpenCL具有非常好的兼容性，它的计算平台可以是由多个设备组成的异构平台，OpenCL对这些不同的平台提供统一的API。采用OpenCL模型编写的程序在所有的支持OpenCL标准的平台上都可以执行，程序只需要经过平台开发商提供的SDK(Software Development Kit)编译后即可运行。OpenCL的设计目标是清晰的表述异构环境中的并行项。并行是一个非常重要的能力，目前随着计算技术的发展，各种计算平台都有多核化的趋势。但是很多软件开发人员在开发软件时并不知道如何利用计算平台的并行能力，这样编写的软件运行效率很低。因此就需要OpenCL编程模型来充分利用平台的并行计算能力。
OpenCL模型中将平台分为两部分：一个宿主机和多个OpenCL设备。宿主机一般是通用CPU，主要负责程序的逻辑控制功能，由它来管理OpenCL设备。OpenCL设备一般是一些计算单元比较多，计算能力比较强，具有进行并行计算能力的运算平台，例如GPU、FPGA和DSP等设备。这些OpenCL设备中通常包含很多计算单元，每个计算单元中又有很多处理单元。OpenCL中最小的操作单元就是计算单元，这些计算单元之间可以并行的进行计算。与OpenCL平台模型相对应，OpenCL的执行模型也分为两部分：宿主机程序和内核。宿主机程序在宿主机上运行，由宿主机程序通过上下文和命令队列来调用内核。上下文定义了内核执行和定义的环境，命令队列是宿主机程序和内核之间的通信方式，宿主机程序通过将命令发送到命令队列来控制内核。
RS码是由Reed和Solomon于1960年提出的一种系统码。它是唯一可以满足任意的数据磁盘数目(n)和冗余磁盘数目(m)的MDS(maximum distance separable)的编码方法。RS码的生成矩阵G的前n行是n*n的单位矩阵因此RS码也属于系统码的一种。经过五十多年的研究和发展，RS码的理论基础已经非常完善。RS码是从维度n的向量空间通过有限域K转换成较高的向量空间维度n+m。它可根据其生成矩阵的不同将其分为两类：一类是范德蒙RS编码，另一类是柯西RS编码。范德蒙RS编码中的所有运算均是在Galois域上的运算，其中加法运算对应异或运算，乘法运算比较复杂，一般用查表法来实现。柯西RS编码将复杂的乘法运算转化成二进制乘法，但是会导致生成矩阵增大很多倍，计算量也会随之增加。
目前对RS码编解码的加速主要有三种：在FPGA开发板上采用VHDL语言编写专用的编解码电路；采用CUDA编程模型利用NVIDIA的GPU进行加速；采用ASIC实现RS纠删码的编解码加速。第一种方法一般是采用硬件描述语言设计生成一个GF域的乘法器来加速纠删码编解码中大量的GF域中的乘法运算。但是这种方法并没有充分利用编解码过程中的数据并行性，并行粒度比较小，对性能的提升比较有限。第二种方法是将GPU作为数据并行计算设备，但是这种方法只能具有NVIDIA显卡的机器上使用，适用范围比较窄。最后一种方法与FPGA类似，但是ASIC的硬件电路是量身定制的，因此执行速度比较快，但是ASIC的芯片价格更高，代价比较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于OpenCL的RS码编解码方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于OpenCL的RS码编解码方法，包括以下步骤：
步骤1，编写OpenCL内核程序，实现GF(2^8)的乘法运算；
步骤2，编译步骤1编写的内核程序生成硬件配置文件；
步骤3，初始化OpenCL内核启动环境；
步骤4，宿主机程序控制内核执行；
步骤5，纠删码编码；
步骤6，纠删码解码。
进一步的，步骤1具体包括以下步骤：
a)定义一个工作项私有变量，其值为要编解码矩阵中要进行Galois域矩阵乘法的元素；
b)定义两个全局内存中的缓冲区，一个为只读类型的内存，用来存储要进行编解码计算的源文件；一个为只写类型的内存，用来存储计算之后的结果；
c)定义两个只读类型，大小为255的数组，分别用来存储Galois域乘法运算的正表和反表；正表和反表用来做Galois域乘法运算；其中正表下标i等于生成元的指数，下标对应的元素值等于对应的生成元的i次方的值，反表和正表是对应的，反表的下标为正表中对应的元素值，反表的元素值为正表的下标；
d)生成一个一维的索引空间，获取每个工作项的全局id；每个工作项根据自身的全局id从源文件缓冲区*src中取不同的数据并行的进行运算；
e)每个工作项分别从反表中查询编解码矩阵中的参与运算的元素的下标以及原始文件中参与计算的字节的下标；
f)将上一步中查询到的下标相加并且取模255，得到上一步中Galois域乘法运算结果的下标；
g)根据上一步中计算得到的下标，在正表中查询Galois乘法运算的结果，并将其写入到存储计算结果的缓冲区中。
进一步的，步骤3具体包括以下步骤：
a)获取程序运行平台的信息，将平台id存储到一个数组之中；
b)对于每个一个运行平台，获取该平台上的所有设备；
c)创建上下文，并将上下文与上一步中获取到的设备关联起来；
d)创建程序对象，将编译完成后的内核文件转换成字符串，并将字符串与OpenCL设备和上下文关联起来，生成一个程序对象；
e)创建一个与上下文设备关联的命令队列，用做宿主机程序与内核程序之间的通信；
f)创建一个与程序对象关联的内核对象；
g)根据内核程序中的参数，创建出四个存储器对象，一个只读类型的存储器对象用来存储要进行编码的源文件，两个只读类型大小为256字节的存储器对象，分别用来存放正表和反表，一个只写类型的存储器对象用来存储计算之后的结果。
进一步的，步骤4具体包括以下步骤：
a)创建两个OpenCL事件，一个用于控制内核执行，另一个用于控制读出内核的计算结果；
b)创建一个大小为三的OpenCL事件数组，用于控制将数据写入到之前创建的存储器对象中；
c)分别将源文件，以及正表和反表写入到对应的存储器对象中；
d)根据内核程序按照顺序设置内核参数，第一个为参与计算的编解码矩阵中的元素，第二个为输入的源文件存储器对象、第三个为输出的计算结果存储器对象，第四个为Galois域运算的正表，第五个为Galois域运算的反表；
e)通过命令队列发送命令，启动内核；
f)通过事件获得内核执行状态，等待内核执行完成之后，读出计算结果。
进一步的，步骤5具体包括以下步骤：
a)根据纠删码编码参数RS(n,k)计算生成矩阵，其中n表示编码之后生成的数据块和冗余块之和，k表示数据块的个数；
b)打开要进行编码的文件，并根据编码参数RS(n,k)以及文件大小，将文件等分为大小相等的k块；
c)创建n-k个大小为文件块大小的缓冲区，用来保存进行编码操作之后的计算结果；
d)从文件中分段读取出文件的内容，并计算当前内容处于哪个块，以及块内的偏移量；
e)调用OpenCL内核，计算当前文件内容与生成矩阵的进行Galois矩阵乘运算的结果，并将内核的计算结果读出缓冲区中；
f)将读取出来的原始文件内容，根据其所在块的位置，写入到不同的文件中；
g)将编码得到的冗余块写入到磁盘中；
h)完成所有文件的编码操作之后，删除原始文件。
进一步的，步骤6具体包括以下步骤：
a)分别从磁盘中读取目前尚未丢失的文件块；
b)根据RS码的编码参数，以及丢失的文件块数判断，是否可以进行解码操作；如果丢失的文件块数大于冗余块数，则无法进行解码操作，终止程序，否则可以恢复丢失文件，继续进行下一步；
c)根据已丢失文件块编号，删除生成矩阵中的对应行，并采用高斯-约旦消元法计算删除后矩阵的逆矩阵；
d)根据丢失文件块的个数创建缓冲区，用来存储解码操作的计算结果；
e)调用OpenCL内核，计算逆矩阵与未丢失文件块进行Galois矩阵乘运算的结果，并将结果读入缓冲区中；
f)根据恢复的块编号，将计算结果写入到不同的文件中。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用OpenCL对纠删码的编解码的计算过程进行加速，因此为了除其他因素对实验结果的影响，在测量性能时只测量CPU计算的时间不测量文件IO的时间。在OpenCL中主要的计算任务由内核承担，因此可以认为内核执行时间即是纠删码的计算时间。针对RS码编解码过程中，消耗计算时间最多的Galois域矩阵乘运算。本发明，基于OpenCL编程模型，充分利用了矩阵乘法运算中的数据并行性。使得编解码过程中的每个字节之间的Galois域乘法运算，可以并行的在OpenCL设备上的每个工作项上执行。本发明可以充分的发挥出OpenCL设备的并行性能，极大的缩短了RS码编解码的计算时间。并且采用OpenCL编程模型的程序，可以在所有支持OpenCL标准的设备运行，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为程序平台模型图
图2为内核并行运行模式图
图3为不同文件大小下两种方式编码计算时间图；
图4为不同文件大小下两种方式解码计算时间图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图4：
本发明针对上述现有技术中的不足，提出一种基于OpenCL的RS码编解码策略的。如图1所示，将纠删码编解码过程中，复杂的文件读写，以及逻辑控制功能放入在通用CPU运行的主机程序中，将耗时多，可并行的Galois域乘法运算放入在FPGA上运行的内核程序中。本发明可以充分利用编解码过程中的数据并行性，并且适用于所有支持OpenCL标准的平台。
一种基于OpenCL的RS码编解码方法，包括以下步骤：
步骤1，编写OpenCL内核程序，实现GF(2^8)的乘法运算；
步骤2，编译步骤1编写的内核程序生成硬件配置文件；
步骤3，初始化OpenCL内核启动环境；
步骤4，宿主机程序控制内核执行；
步骤5，纠删码编码；
步骤6，纠删码解码。
步骤1具体包括以下步骤：
a)定义一个工作项私有变量，其值为要编解码矩阵中要进行Galois域矩阵乘法的元素；
b)定义两个全局内存中的缓冲区，一个为只读类型的内存，用来存储要进行编解码计算的源文件；一个为只写类型的内存，用来存储计算之后的结果；
c)定义两个只读类型，大小为255的数组，分别用来存储Galois域乘法运算的正表和反表；正表和反表用来做Galois域乘法运算；其中正表下标i等于生成元的指数，下标对应的元素值等于对应的生成元的i次方的值，反表和正表是对应的，反表的下标为正表中对应的元素值，反表的元素值为正表的下标；
正表GaloisValue和反表GaloisIndex计算的伪代码如下：
d)生成一个一维的索引空间，获取每个工作项的全局id；每个工作项根据自身的全局id从源文件缓冲区*src中取不同的数据并行的进行运算；
e)每个工作项分别从反表中查询编解码矩阵中的参与运算的元素的下标以及原始文件中参与计算的字节的下标；
f)将上一步中查询到的下标相加并且取模255，得到上一步中Galois域乘法运算结果的下标；
g)根据上一步中计算得到的下标，在正表中查询Galois乘法运算的结果，并将其写入到存储计算结果的缓冲区中。
步骤3具体包括以下步骤：
a)获取程序运行平台的信息，将平台id存储到一个数组之中；
b)对于每个一个运行平台，获取该平台上的所有设备；
c)创建上下文，并将上下文与上一步中获取到的设备关联起来；
d)创建程序对象，将编译完成后的内核文件转换成字符串，并将字符串与OpenCL设备和上下文关联起来，生成一个程序对象；
e)创建一个与上下文设备关联的命令队列，用做宿主机程序与内核程序之间的通信；
f)创建一个与程序对象关联的内核对象；
g)根据内核程序中的参数，创建出四个存储器对象，一个只读类型的存储器对象用来存储要进行编码的源文件，两个只读类型大小为256字节的存储器对象，分别用来存放正表和反表，一个只写类型的存储器对象用来存储计算之后的结果。
步骤4具体包括以下步骤：
a)创建两个OpenCL事件，一个用于控制内核执行，另一个用于控制读出内核的计算结果；
b)创建一个大小为三的OpenCL事件数组，用于控制将数据写入到之前创建的存储器对象中；
c)分别将源文件，以及正表和反表写入到对应的存储器对象中；
d)根据内核程序按照顺序设置内核参数，第一个为参与计算的编解码矩阵中的元素，第二个为输入的源文件存储器对象、第三个为输出的计算结果存储器对象，第四个为Galois域运算的正表，第五个为Galois域运算的反表；
e)通过命令队列发送命令，启动内核；
f)通过事件获得内核执行状态，等待内核执行完成之后，读出计算结果。
步骤5具体包括以下步骤：
a)根据纠删码编码参数RS(n,k)计算生成矩阵，其中n表示编码之后生成的数据块和冗余块之和，k表示数据块的个数；下述矩阵为一个RS(8，5)的生成矩阵。
b)打开要进行编码的文件，并根据编码参数RS(n,k)以及文件大小，将文件等分为大小相等的k块；
c)创建n-k个大小为文件块大小的缓冲区，用来保存进行编码操作之后的计算结果；
d)从文件中分段读取出文件的内容，并计算当前内容处于哪个块，以及块内的偏移量；
e)调用OpenCL内核，计算当前文件内容与生成矩阵的进行Galois矩阵乘运算的结果，并将内核的计算结果读出缓冲区中；
f)将读取出来的原始文件内容，根据其所在块的位置，写入到不同的文件中；
g)将编码得到的冗余块写入到磁盘中；
h)完成所有文件的编码操作之后，删除原始文件。
6、根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤6具体包括以下步骤：
a)分别从磁盘中读取目前尚未丢失的文件块；
b)根据RS码的编码参数，以及丢失的文件块数判断，是否可以进行解码操作；如果丢失的文件块数大于冗余块数，则无法进行解码操作，终止程序，否则可以恢复丢失文件，继续进行下一步；
c)根据已丢失文件块编号，删除生成矩阵中的对应行，并采用高斯-约旦消元法计算删除后矩阵的逆矩阵；
d)根据丢失文件块的个数创建缓冲区，用来存储解码操作的计算结果；
e)调用OpenCL内核，计算逆矩阵与未丢失文件块进行Galois矩阵乘运算的结果，并将结果读入缓冲区中；
f)根据恢复的块编号，将计算结果写入到不同的文件中。
实验部分
本发明分别在PC机和Altera公司的DE1-SOC开发板上对发明方法进行了实验验证，对比了本发明和通用RS码编解码策略的性能差异。实验环境如表1和表2所示。
表1 PC机软硬件环境
表2 ALTERA DE1-SOC软硬件环境
本发明的主要工作是利用OpenCL对纠删码的编解码的计算过程进行加速，因此为了除其他因素对实验结果的影响，在测量性能时只测量CPU计算的时间不测量文件IO的时间。在OpenCL中主要的计算任务由内核承担，因此可以认为内核执行时间即是纠删码的计算时间。本文对不同大小的文件采用RS(8,5)的编码策略进行编解码，解码时丢失文件的块数设为两块。图3和图4分别表示不同文件大小下的编码计算时间和解码计算时间。实验结果表明，采用本发明之后的编码时间比通用的编码时间缩短了4.81倍，解码时间缩短了4.37倍。

Claims (6)

1.一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，编写OpenCL内核程序，实现GF(2^8)的乘法运算；
步骤2，编译步骤1编写的内核程序生成硬件配置文件；
步骤3，初始化OpenCL内核启动环境；
步骤4，宿主机程序控制内核执行；
步骤5，纠删码编码；
步骤6，纠删码解码。
2.根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：
a)定义一个工作项私有变量，其值为要编解码矩阵中要进行Galois域矩阵乘法的元素；
b)定义两个全局内存中的缓冲区，一个为只读类型的内存，用来存储要进行编解码计算的源文件；一个为只写类型的内存，用来存储计算之后的结果；
c)定义两个只读类型，大小为255的数组，分别用来存储Galois域乘法运算的正表和反表；正表和反表用来做Galois域乘法运算；其中正表下标i等于生成元的指数，下标对应的元素值等于对应的生成元的i次方的值，反表和正表是对应的，反表的下标为正表中对应的元素值，反表的元素值为正表的下标；
d)生成一个一维的索引空间，获取每个工作项的全局id；每个工作项根据自身的全局id从源文件缓冲区*src中取不同的数据并行的进行运算；
e)每个工作项分别从反表中查询编解码矩阵中的参与运算的元素的下标以及原始文件中参与计算的字节的下标；
f)将上一步中查询到的下标相加并且取模255，得到上一步中Galois域乘法运算结果的下标；
g)根据上一步中计算得到的下标，在正表中查询Galois乘法运算的结果，并将其写入到存储计算结果的缓冲区中。
3.根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
a)获取程序运行平台的信息，将平台id存储到一个数组之中；
b)对于每个一个运行平台，获取该平台上的所有设备；
c)创建上下文，并将上下文与上一步中获取到的设备关联起来；
d)创建程序对象，将编译完成后的内核文件转换成字符串，并将字符串与OpenCL设备和上下文关联起来，生成一个程序对象；
e)创建一个与上下文设备关联的命令队列，用做宿主机程序与内核程序之间的通信；
f)创建一个与程序对象关联的内核对象；
g)根据内核程序中的参数，创建出四个存储器对象，一个只读类型的存储器对象用来存储要进行编码的源文件，两个只读类型大小为256字节的存储器对象，分别用来存放正表和反表，一个只写类型的存储器对象用来存储计算之后的结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤4具体包括以下步骤：
a)创建两个OpenCL事件，一个用于控制内核执行，另一个用于控制读出内核的计算结果；
b)创建一个大小为三的OpenCL事件数组，用于控制将数据写入到之前创建的存储器对象中；
c)分别将源文件，以及正表和反表写入到对应的存储器对象中；
d)根据内核程序按照顺序设置内核参数，第一个为参与计算的编解码矩阵中的元素，第二个为输入的源文件存储器对象、第三个为输出的计算结果存储器对象，第四个为Galois域运算的正表，第五个为Galois域运算的反表；
e)通过命令队列发送命令，启动内核；
f)通过事件获得内核执行状态，等待内核执行完成之后，读出计算结果。
5.根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤5具体包括以下步骤：
a)根据纠删码编码参数RS(n,k)计算生成矩阵，其中n表示编码之后生成的数据块和冗余块之和，k表示数据块的个数；
b)打开要进行编码的文件，并根据编码参数RS(n,k)以及文件大小，将文件等分为大小相等的k块；
c)创建n-k个大小为文件块大小的缓冲区，用来保存进行编码操作之后的计算结果；
d)从文件中分段读取出文件的内容，并计算当前内容处于哪个块，以及块内的偏移量；
e)调用OpenCL内核，计算当前文件内容与生成矩阵的进行Galois矩阵乘运算的结果，并将内核的计算结果读出缓冲区中；
f)将读取出来的原始文件内容，根据其所在块的位置，写入到不同的文件中；
g)将编码得到的冗余块写入到磁盘中；
h)完成所有文件的编码操作之后，删除原始文件。
6.根据权利要求1所述的一种基于OpenCL的RS码编解码方法，其特征在于，步骤6具体包括以下步骤：
a)分别从磁盘中读取目前尚未丢失的文件块；
b)根据RS码的编码参数，以及丢失的文件块数判断，是否可以进行解码操作；如果丢失的文件块数大于冗余块数，则无法进行解码操作，终止程序，否则可以恢复丢失文件，继续进行下一步；
c)根据已丢失文件块编号，删除生成矩阵中的对应行，并采用高斯-约旦消元法计算删除后矩阵的逆矩阵；
d)根据丢失文件块的个数创建缓冲区，用来存储解码操作的计算结果；
e)调用OpenCL内核，计算逆矩阵与未丢失文件块进行Galois矩阵乘运算的结果，并将结果读入缓冲区中；
f)根据恢复的块编号，将计算结果写入到不同的文件中。
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