TMS320C64x系列 DSP的軟件優(yōu)化技術(shù)

葛 珊，徐書(shū)文

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015)

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的應(yīng)用起始于20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于無(wú)線通信、一維信號(hào)處理(FFT運(yùn)算)、二維信號(hào)處理(圖像處理)等數(shù)據(jù)運(yùn)算量大的系統(tǒng)設(shè)備中。主頻從10 MHz發(fā)展到目前1 GHz以上，片內(nèi)RAM容量從幾百字節(jié)，發(fā)展到上百兆字節(jié)，外設(shè)功能也從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)讀取擴(kuò)展到控制、通信于一體的數(shù)字信號(hào)處理器。C6000系列產(chǎn)品是TI公司繼C5000系列產(chǎn)品之后推出的速度更高、功能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。基于其特殊的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)處理、圖像處理、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域。

TMS320C64x系列DSP芯片是TI公司C6000系列產(chǎn)品中的一種，該系列芯片為定點(diǎn)DSP芯片，主頻為600 MHz～1 GHz，但其外設(shè)工作頻率最高為133 MHz，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，必須在外設(shè)數(shù)據(jù)采集及軟件編程設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能大幅度提高算法的運(yùn)算速度，發(fā)揮芯片主頻提高的真正潛能。該芯片具有很高的操作靈活性和速度，同時(shí)如何充分利用它的硬件結(jié)構(gòu)及資源，發(fā)揮它的高速處理能力，是軟件設(shè)計(jì)人員首要考慮的問(wèn)題。軟件優(yōu)化技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要意義［1－4］。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)配置

CCS 2.0(C6000)是TI推出的專門(mén)開(kāi)發(fā)C6000系列DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。CCS集成了工程管理工具、代碼編輯器、代碼產(chǎn)生工具、代碼調(diào)試工具等。編譯器的設(shè)置，是軟件優(yōu)化的先決條件，在程序代碼編譯前，需要在工程文件的Build Options控制編譯器選項(xiàng)中選擇－o2/－o3選項(xiàng)，這樣可以使編譯器最大限度地進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1.2 C代碼的優(yōu)化方法

為了使C代碼獲得最好的性能，編寫(xiě)時(shí)應(yīng)遵循下述規(guī)則:

1)對(duì)于定點(diǎn)乘法輸入應(yīng)盡可能使用short型數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)類型可以有效利用C64x的16位乘法器;

2)對(duì)循環(huán)計(jì)數(shù)器使用int或unsigned int類型，避免不必要的符號(hào)擴(kuò)展指令;

3)使用restrict關(guān)鍵字限定一個(gè)指針、引用或數(shù)組;

4)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以快速優(yōu)化C代碼，其使用方法與調(diào)用函數(shù)一樣。

1.3 線性匯編代碼優(yōu)化方法

編寫(xiě)高效的匯編代碼應(yīng)遵循下述規(guī)則:

1)使用并行的匯編代碼，充分利用某些指令的延時(shí)間隙，執(zhí)行代碼;

2)使用打包數(shù)據(jù)處理，充分利用C64x寬的存儲(chǔ)空間通路，用字或者雙字的讀取和存儲(chǔ)操作數(shù)來(lái)進(jìn)行字或者半字?jǐn)?shù)據(jù)訪問(wèn);

3)合并多操作為單個(gè)操作指令，C64x提供了許多能將一些一般操作結(jié)合在一起的指令，這些指令能減少代碼中的指令數(shù)，減少代碼長(zhǎng)度，利于簡(jiǎn)化編程。

1.4 交叉匯編代碼使用

由于C語(yǔ)言靈活性強(qiáng)、便于閱讀，在編寫(xiě)程序代碼時(shí)，可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼的主體框架，將代碼中耗時(shí)最長(zhǎng)的部分抽取出來(lái)，用并行匯編代碼編寫(xiě)，這樣可以大幅提高代碼的執(zhí)行速度。

1.5 軟件流水方法

軟件流水就是編排循環(huán)指令，使循環(huán)的多次迭代能夠并行執(zhí)行。軟件流水應(yīng)從4個(gè)方面進(jìn)行考慮，分別是循環(huán)次數(shù)、冗余循環(huán)、循環(huán)展開(kāi)和推測(cè)執(zhí)行。

1)循環(huán)計(jì)數(shù)

最有效的軟件流水的循環(huán)是按遞減計(jì)數(shù)形式對(duì)循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)。可以選擇編譯器的－o2或－o3選項(xiàng)優(yōu)化循環(huán)。

2)消除冗余循環(huán)

冗余循環(huán)的存在使代碼尺寸增加，也對(duì)代碼性能有影響。因此，運(yùn)用編譯器的－mh或－mhn選項(xiàng)可以減少冗余循環(huán)，提高編譯器完成優(yōu)化的能力。

3)循環(huán)展開(kāi)

當(dāng)單次迭代操作沒(méi)有充分利用C64x結(jié)構(gòu)的所有資源時(shí)，可使用循環(huán)展開(kāi)提高性能。有3種循環(huán)展開(kāi)的方法:(1)編譯器自動(dòng)執(zhí)行循環(huán)展開(kāi);(2)在程序中使用UNROLL偽指令建議編譯器做循環(huán)展開(kāi);(3)用戶自己在代碼中展開(kāi)。

4)推測(cè)執(zhí)行

運(yùn)用編譯器的－mh選項(xiàng)有助于編譯器消除軟件流水的填充和排空，間接地減輕寄存器壓力，可以獲得更簡(jiǎn)潔的代碼和更佳的性能。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題及解決方法

2.1 軟件流水限制條件

在以下3種情況中，不能進(jìn)行軟件流水:

1)如果一個(gè)寄存器值存在的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這個(gè)代碼不能進(jìn)行軟件流水;

2)如果循環(huán)體內(nèi)有復(fù)雜的條件代碼，對(duì)于C64x超過(guò)6個(gè)條件寄存器時(shí)，這個(gè)循環(huán)不可以進(jìn)行軟流水;

3)一個(gè)有條件增大的循環(huán)控制變量的循環(huán)不能進(jìn)行軟件流水。

2.2 避免交叉通路阻塞

避免交叉通路阻塞的方法有2種:

1)通過(guò)安排指令，當(dāng)操作數(shù)被更新至少一個(gè)周期以后再進(jìn)行交叉通路操作數(shù)讀取操作，交叉通路阻塞可以避免;

2)適當(dāng)?shù)木幣牛珻64x能夠在每個(gè)時(shí)鐘周期、每個(gè)數(shù)據(jù)交叉通路進(jìn)行一次源操作數(shù)讀取操作，可以避免交叉通路阻塞。

3 仿真驗(yàn)證

以計(jì)算兩個(gè)16×16像素圖像的灰度絕對(duì)差為例，分析程序優(yōu)化前后的運(yùn)算耗時(shí)情況。兩個(gè)16×16像素圖像的灰度絕對(duì)差公式為

式中:R(u，v)，S(u，v)分別表示16×16像素的圖像矩陣，每個(gè)像素為8 bit數(shù)據(jù)。優(yōu)化前，每次加載一個(gè)8 bit數(shù)據(jù)處理，測(cè)試代碼運(yùn)行時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)速度提高不明顯，因此，需要對(duì)代碼進(jìn)行改進(jìn)。選用3種不同的打包數(shù)據(jù)處理方式對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化:

1)方法1，用1條16 bit數(shù)據(jù)加載指令(LDHU，2LDB)實(shí)現(xiàn)一次加載2個(gè)8 bit(字)數(shù)據(jù)處理。

2)方法2，用1條32 bit數(shù)據(jù)加載指令(LDW，LDNW)實(shí)現(xiàn)一次加載4個(gè)8 bit(雙字)數(shù)據(jù)處理，并且運(yùn)用一組DOTPU4，SUBABS4指令進(jìn)行運(yùn)算。

3)方法3，用1條64 bit數(shù)據(jù)加載指令(LDDW，LDNDW)實(shí)現(xiàn)一次加載8個(gè)8 bit(4個(gè)字)數(shù)據(jù)處理，并且運(yùn)用兩組并行的DOTPU4，SUBABS4指令進(jìn)行運(yùn)算，同時(shí)使用并行的匯編代碼，充分利用某些指令的延時(shí)間隙，執(zhí)行代碼。

優(yōu)化前后運(yùn)算時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 代碼優(yōu)化前后比較

從表1中可以看到，軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是通過(guò)利用數(shù)據(jù)并行加載、寄存器流水并行處理、減少循環(huán)次數(shù)的方法，可以大大減少運(yùn)算時(shí)間，提高運(yùn)行速度。

4 結(jié)論

在TMS320C64x系列DSP芯片應(yīng)用中，大部分每秒百萬(wàn)次指令運(yùn)算發(fā)生在緊湊的循環(huán)中，所以對(duì)于C64x代碼產(chǎn)生工具來(lái)說(shuō)，在重要的循環(huán)中充分利用片內(nèi)的硬件資源，在軟件流水中，利用VelociTI結(jié)構(gòu)的多樣資源，可以大大提高代碼的效率。因此，本文介紹的基于C64x系列DSP的軟件優(yōu)化方法，為高速實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種很好的解決方法。

:

［1］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000優(yōu)化編譯器用戶手冊(cè)［M］.田黎育，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000程序員手冊(cè)［M］.朱夢(mèng)宇，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000匯編語(yǔ)言工具用戶手冊(cè)［M］.何佩琨，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］覃團(tuán)發(fā)，泰德興，劉遠(yuǎn)毅，等.基于TMS320C6416的寬帶語(yǔ)音G.722.2聲碼器的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)［J］.電聲技術(shù)，2006，30(1):48－51