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前言
CFFI是連接Python與c的橋梁，可實現(xiàn)在Python中調(diào)用c文件。CFFI為c語言的外部接口，在Python中使用該接口可以實現(xiàn)在Python中使用外部c文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及函數(shù)。
Python運行比較低，尤其是操作字節(jié)流的時候，為了提升效率，可以通過CFFI在我們的Python設(shè)計中嵌入C，大大提升程序的效率。前面的文章《給我兒子做個自動讀故事的機器》https://www.jianshu.com/p/56df82bd4dbb中要對音頻文件進行操作，涉及到字節(jié)流，運行效率低，會引發(fā)系統(tǒng)延遲很大。所以這篇文章的第二部分就是一個CFFI的實例來加速文件操作。

一、CFFI的使用
CFFI是一個python庫，這個庫里面有函數(shù)可以調(diào)用編譯器對C語言源文件進行編譯，輸出一個.so庫文件，這庫文件就可以 被python調(diào)用，就向調(diào)用你自己編寫的.py文件一樣。并且CFFI在PYNQ已經(jīng)被預(yù)裝好了，無需自己安裝。如果是在Ubuntu下面使用，可能需要自己手動安裝一下，需要說明的是，CFFI需要編譯器，所以你的系統(tǒng)中需要安裝一下編譯器，我用的是gcc。
CFFI有ABI和API兩種形式。ABI 駁接的是已經(jīng)編譯好的 binary，API 更快，把 C 代碼編譯出來使用。關(guān)于編譯器的使用又分為in-line和out-line兩種形式。in-line 即時編譯使用，out-line 離線編譯后調(diào)用。這兩兩組合一共有四種應(yīng)用方式，這些PYNQ全都支持。
下面這篇文章有比較清楚的介紹，也有詳細的例子，大家可以參考一下。https://www.cnblogs.com/ccxikka/p/9637545.html
接下來我們要介紹一個簡單的例子，來展示的是API out-line的應(yīng)用，并且這個例子調(diào)用的是自己編寫的外部文件，比上面那個鏈接里面展示的內(nèi)容要復(fù)雜。
在工程目錄下建立三個設(shè)計文件如下圖：

.c 和.h是源碼文件，這個不用個多說。build.py是用用來對源文件進行編譯生成庫的。
.c文件里面寫了一個加法函數(shù)

#include <stdio.h> #include "demo.h" int add(int a, int b) { int c; c = a+b; return c; }

.h文件對函數(shù)進行聲明 int add(int a, int b); 接下來是最重要的build 文件。這里包含源文件添加和編譯函數(shù)。

# import cffiffi = cffi.FFI() #生成cffi實例ffi.cdef("""int add(int a, int b);""") #函數(shù)聲明，。。這個地方應(yīng)該更好的寫法，但是我沒搞懂ffi.set_source('demo_module', ##這就是生成的庫的名字，將來會在python里面調(diào)用"""#include "demo.h" """,sources=['demo.c'])if __name__ == '__main__': #compile是離線方式的專用方法,它的作用是讓編譯器編譯出可調(diào)用的.so文件ffi.compile(verbose=True)

在python 里面運行build.py。如果沒有錯誤，將生成以下幾個文件

其中.so文件就是我們的庫文件。
這個demo的測試語句是這樣的寫的

import demo_module.lib as demo print(demo.add(2,4))

正確運行后將得到加法的結(jié)果。
這個模板大家可以直接拿過去用，不需要自己編寫，只需要在build.py文件中替換自己的文件名和函數(shù)名就可以了。

二、PYNQ嵌入C語言操作WAV文件
在《給我兒子做個自動讀故事的機器》中需要用到python對訊飛返回的16kHz單通道16bit WAV 轉(zhuǎn)換為48kHz 雙通道24bit編碼方式。在PYNQ上用Python做有連個問題，一是涉及字節(jié)流操作效率很低，系統(tǒng)時延大，二是麻煩，沒有專門的python庫可以完成這種操作，需要用各種函數(shù)來拼接。
關(guān)于WAV文件的解析有以下兩篇文章寫得比較好，信息清楚全面。https://zhuanlan.zhihu.com/p/27338283https://blog.csdn.net/zhihu008/article/details/7854529
轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

void convert(char inputfilename[],char outputfilename[]) {FILE *fin; FILE *fout;if((fin= fopen(inputfilename,"rb"))==NULL){printf("error! can't find audio file!n");exit(1);}if((fout= fopen(outputfilename,"wb+"))==NULL){printf("error! can't find output file!n");exit(1);}Wav wav;RIFF_t riff;FMT_t fmt;Data_t data;fread(&wav, 1, sizeof(wav), fin);unsigned int inputlength = wav.data.Subchunk2Size;unsigned int outputlength =(unsigned int) wav.data.Subchunk2Size*2*24/16*(48000/16000);unsigned char inputflow[inputlength];unsigned char outputflow[outputlength];unsigned char *inputpointer= inputflow;fread(inputpointer,1, inputlength,fin);unsigned int j=0;unsigned int k=0;for(j=0;j<inputlength/2;j++){k= j*18;outputflow[k] = 0;outputflow[k+1] = inputflow[2*j];outputflow[k+2] = inputflow[2*j+1];outputflow[k+3] = 0; outputflow[k+4] = 0;outputflow[k+5] = 0;outputflow[k+6] = 0;outputflow[k+7] = 0;outputflow[k+8] = 0;outputflow[k+9] = 0;outputflow[k+10] = inputflow[2*j];outputflow[k+11] = inputflow[2*j+1];outputflow[k+12] = 0; outputflow[k+13] = 0;outputflow[k+14] = 0;outputflow[k+15] = 0;outputflow[k+16] = 0;outputflow[k+17] = 0; }wav.fmt.NumChannels = 2;wav.fmt.SampleRate = 48000;wav.fmt.BitsPerSample = 24;wav.fmt.BlockAlign = 2*24/8;wav.fmt.ByteRate = wav.fmt.SampleRate*2*24/8;wav.data.Subchunk2Size = outputlength;wav.riff.ChunkSize = outputlength+36;fwrite(&wav, 1, sizeof(wav), fout);fwrite(outputflow,1,outputlength,fout);printf("convert finishedn");fclose(fin);fclose(fout); }

所有設(shè)計文件和編譯生成的文件打包放在網(wǎng)盤上。
鏈接：https://pan.baidu.com/s/13F-wB5zFpFRwtpp_pQb24A 密碼：p2sc
說明：
1.設(shè)計文件一定要在PYNQ平臺上編譯。因為PYNQ上的編譯器和ubuntu下不一樣，生成的庫是無法通用的。
2.不知道為什么生成的.so庫文件無法在jupyter里面運行，只能在python3下面運行。這里有妖，找個時間研究下。
3.現(xiàn)在這個程序其實寫的很簡單，有個問題是占用內(nèi)存很大，會將整個轉(zhuǎn)化后的音頻流數(shù)據(jù)都放在ram里面，然后一次性寫入，耗費ram。差不多一個5s長的音頻會消耗1M內(nèi)存。如果要處理一個大的音頻文件，需要修改代碼。要知道PYNQ只有512M內(nèi)存。
后記
CFFI的應(yīng)用對PYNQ是一個極大的擴展，意味著很多已經(jīng)成型的C語言庫都可以被調(diào)用，能夠有效地擴展PYNQ的應(yīng)用范圍和運行效率。
當(dāng)然，使用FPGA部分來加速自然效率更高，但是開發(fā)難度相對大很多，還要修改overlay，應(yīng)用的可移植性不是很好。CFFI 是一個比較中性的選擇。Xilinx 的HLS可以對邏輯開發(fā)進行C語言支持，在CFFI中應(yīng)用的C代碼也許可以比較方便地轉(zhuǎn)化為硬件邏輯，或者作為算法驗證的前一個步驟。當(dāng)然這一點只是我的推斷，因為我對C語言的邏輯開發(fā)并不熟悉。

歡迎關(guān)注我的專欄《電子工程師有多無聊》，你可以看到更多關(guān)于使用Python進行硬件編程的文章。如果你有興趣，也歡迎投稿。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的写入接口c语言_PYNQ: 使用CFFI嵌入C语言的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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