基于TI C6000系列DSP的C／C++程序優(yōu)化技術(shù)

摘 要：在現(xiàn)代DSP的開(kāi)發(fā)中，越來(lái)越多地采用C／c++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，而C／C++程序的優(yōu)化成為DSP’軟件開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。在此介紹TI C6000的軟件開(kāi)發(fā)流程，重點(diǎn)討論C6000系列的C／C++程序優(yōu)化技術(shù)，包括優(yōu)化流程，C／C++代碼優(yōu)化方法，編寫(xiě)線形匯編代碼優(yōu)化方法等。為DSP的C/C++軟件開(kāi)發(fā)提供了全面的程序優(yōu)化技術(shù)和方法，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：C6000；程序優(yōu)化；軟件流水；線性匯編

0 引 言
    目前在DSP平臺(tái)上編程多使用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言，為了追求代碼的高效，過(guò)去一般用匯編語(yǔ)言來(lái)編制。DSP程序匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)潔高效，能夠直接操作DSP的內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)空間、外設(shè)，但可讀性、可修改性、可移植性較差；隨著DSP應(yīng)用范圍不斷延伸，應(yīng)用的日趨復(fù)雜，匯編語(yǔ)言程序在可讀性、可修改性、可移植性和可重用性的缺點(diǎn)日益突出，軟件需求與軟件生產(chǎn)力之間的矛盾日益嚴(yán)重。引入高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言，C++，Java)，可以解決該矛盾。在高級(jí)語(yǔ)言中，C語(yǔ)言是一種較為高效的高級(jí)語(yǔ)言，在可讀性、可移植性等方面優(yōu)于匯編指令。各個(gè)DSP芯片公司都相繼推出了相應(yīng)的C語(yǔ)言編譯器。
    但由于DSF結(jié)構(gòu)的特殊性，使得該平臺(tái)上的C語(yǔ)言編譯器無(wú)法充分發(fā)揮DSP器件的性能優(yōu)勢(shì)。同樣功能的C語(yǔ)言程序，效率往往只有直接書(shū)寫(xiě)的匯編程序的幾分之一甚至幾十分之一，因此有必要根據(jù)DSP的特性對(duì)C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

l TMS320C6000處理器介紹
    TMS320C6000是TMS320系列產(chǎn)品中的新一代高性能DSP芯片，共分為兩大系列。其中定點(diǎn)系列為T(mén)MS320C62xx和TMS320C64xx；浮點(diǎn)系列為T(mén)MS320C67xx。由于TMS320C6000的開(kāi)發(fā)主要面向數(shù)據(jù)密集型算法，它有著豐富的內(nèi)部資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，所以被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信和圖像處理等領(lǐng)域。
    C6000系列CPU中的8個(gè)功能單元可以并行操作，并且其中兩個(gè)功能單元為硬件乘法運(yùn)算單元，大大地提高了乘法速度。DSP采用具有獨(dú)立程序總線和數(shù)據(jù)總線的哈佛總線結(jié)構(gòu)，僅片內(nèi)程序總線寬度就可達(dá)到256位，即每周期可并行執(zhí)行8條32位指令；片內(nèi)兩套數(shù)據(jù)總線的寬度分別為32位；此外，DSP還有一套32位DMA專(zhuān)用總線用于傳輸。靈活的總線結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)瓶頸對(duì)系統(tǒng)性能的限制大大緩解。C6000的通用寄存器組能支持32位和40位定點(diǎn)數(shù)據(jù)操作，另外C67xx和C64xx還分別支持64位雙精度數(shù)據(jù)和64位雙字定點(diǎn)數(shù)據(jù)操作。除了多功能單元外，流水技術(shù)是提高DSP程序執(zhí)行效率的另一主要手段。由于TMS320C6000的特殊結(jié)構(gòu)，功能單元同時(shí)執(zhí)行的各種操作可由VLlW長(zhǎng)指令分配模塊來(lái)同步執(zhí)行，使8條并行指令同時(shí)通過(guò)流水線的每個(gè)節(jié)拍，極大地提高了機(jī)器的吞吐量。

2 C6000軟件開(kāi)發(fā)流程
    圖1為C6000的軟件開(kāi)發(fā)流程圖。圖中陰影部分是開(kāi)發(fā)C代碼的常規(guī)流程，其他部分用于輔助和加速開(kāi)發(fā)討程．

    C／C++源文件首先經(jīng)過(guò)C／C++編譯器(C／C++cornpiler)轉(zhuǎn)換為C6000匯編源代碼。編譯器、優(yōu)化器(optimizer)和交疊工具是C／C++編譯器的組成部分。編譯器使用戶能一步完成編譯、匯編和連接；優(yōu)化器調(diào)整合修改代碼以提高C程序的效率；交疊工具把C／C++語(yǔ)句和對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)句交疊列出。[!--empirenews.page--]
    匯編源代碼再經(jīng)過(guò)匯編器(Assembier)翻譯為機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)文件。機(jī)器語(yǔ)言是基于通用目標(biāo)文件格式(Common Object File Format，COFF)的。
    連接器(Linker)連接目標(biāo)文件，生成一個(gè)可執(zhí)行文件。它要完成地址的重分配(Relocation)和解析外部引用(Resolve External References)。
    得到可執(zhí)行文件之后就可以進(jìn)行調(diào)試。可用軟件仿真器(Simulator)在PC機(jī)上對(duì)指令和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行精確仿真；用XDS硬件仿真器(Emulator)在目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試。
    調(diào)試通過(guò)后即可下載到目標(biāo)板進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行。

3 程序優(yōu)化流程及方法
3．1 程序優(yōu)化階段
    由于DSP應(yīng)用的復(fù)雜度，在用C語(yǔ)言進(jìn)行DSP軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，一般先在基于通用微處理器的PC機(jī)或工作站上對(duì)算法進(jìn)行仿真，仿真通過(guò)后再將C程序移植到DSP平臺(tái)中。
    所以，DSP的軟件開(kāi)發(fā)與優(yōu)化流程主要分為3個(gè)階段：C代碼開(kāi)發(fā)階段；C代碼優(yōu)化階段；手工匯編代碼重編寫(xiě)階段。如圖2所示。

    在圖2中，第一階段：沒(méi)有C6000知識(shí)的用戶能開(kāi)發(fā)自己的C代碼，然后使用CCS中的代碼剖析工具，確定C代碼中可能存在的低效率段，為進(jìn)一步代碼優(yōu)化做好準(zhǔn)備。第二階段：C代碼優(yōu)化階段。在這個(gè)階段，主要利用intrinsics函數(shù)以及編譯器編譯選項(xiàng)來(lái)提高代碼的性能。優(yōu)化后利用軟件模擬器檢查代碼的效率，如仍不能達(dá)到期望的效率，則進(jìn)入第三階段。第三階段：寫(xiě)線性匯編優(yōu)化。在這個(gè)階段中，用戶把最耗費(fèi)時(shí)間的代碼抽取出來(lái)，重新用線性匯編寫(xiě)，然后使用匯編優(yōu)化器優(yōu)化這些代碼。在第一次寫(xiě)線性匯編時(shí)，可以不考慮流水線和寄存器分配。然后，提高線性匯編代碼性能，往代碼中添加更多的細(xì)節(jié)，如分配寄存器等。由于這一階段所需的時(shí)間要比第二階段多，所以整個(gè)代碼的優(yōu)化盡量放在第二階段來(lái)完成，而少使用線性匯編代碼優(yōu)化。
3．2 C／C++代碼優(yōu)化方法
    為了使C／C++代碼獲得最好的性能，可以使用編譯選項(xiàng)、軟件流水、內(nèi)聯(lián)函數(shù)和循環(huán)展開(kāi)等方法來(lái)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，以提高代碼執(zhí)行速度，并減小代碼尺寸。
3．2．1 編譯器選項(xiàng)優(yōu)化
    C／C++編譯器可以對(duì)代碼進(jìn)行不同級(jí)別的優(yōu)化。高級(jí)優(yōu)化由專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化器完成，低級(jí)的和目標(biāo)DSP有關(guān)的優(yōu)化由代碼生成器完成。圖3為編譯器、優(yōu)化器和代碼生成器的執(zhí)行圖。

    當(dāng)優(yōu)化器被激活時(shí)，將完成圖3所示的過(guò)程。C／C++語(yǔ)言源代碼首先通過(guò)一個(gè)完成預(yù)處理的解析器(Parser)，生成一個(gè)中間文件(．if)作為優(yōu)化器(Optimi-zer)的輸入。優(yōu)化器生成一個(gè)優(yōu)化文件(．opt)，這個(gè)文件作為完成進(jìn)一步優(yōu)化的代碼生成器(Code Genera-tor)的輸入，最終生成匯編文件(．a(chǎn)sm)。
    最簡(jiǎn)單執(zhí)行優(yōu)化的方法是采用cl6x編譯程序，在命令行設(shè)置一On選項(xiàng)即可。n是優(yōu)化的級(jí)別(n為0，1，2，3)，它控制優(yōu)化的類(lèi)型和程度。
3．2．2 軟件流水優(yōu)化
    軟件流水是編排循環(huán)指令，使循環(huán)的多次迭代并行執(zhí)行的技術(shù)。使用一02和一03選項(xiàng)編譯C／C++程序時(shí)，編譯器就從程序中收集信息，嘗試對(duì)程序循環(huán)做軟件流水。
    圖4顯示一個(gè)軟件流水循環(huán)。圖4中A，B，C，D和E表示1次迭代中的各條指令；A1，A2，A3，A4和A5表示一條指令執(zhí)行的各階段。循環(huán)中，一個(gè)周期最多可并行執(zhí)行5條指令，即圖中陰影部分所示的循環(huán)核(Loop Kernel)部分。循環(huán)核前面的部分稱(chēng)為流水循環(huán)填充(Pipelined Loop Prolog)，循環(huán)核后面部分稱(chēng)為循環(huán)排空(Pipelined Loop Epilog)。

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3．2．3 內(nèi)聯(lián)函數(shù)優(yōu)化
     通過(guò)下面的方法改進(jìn)C語(yǔ)言程序，可使編譯出的代碼性能顯著提高：
    (1)使用intrinsics(內(nèi)聯(lián)函數(shù))替代復(fù)雜的C／C++代碼；
    (2)使用字(Word)訪問(wèn)存放在32位寄存器的高16位和低16位字段的數(shù)據(jù)；
    (3)使用雙字訪問(wèn)存放在64位寄存器的32位數(shù)據(jù)(僅指C64xx／C67XX)。
    C6000編譯器提供了許多內(nèi)聯(lián)函數(shù)，它們直接對(duì)應(yīng)著C62X／C64X／C67X指令可快速優(yōu)化C代碼。這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)不易用C／C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)其功能。內(nèi)聯(lián)函數(shù)用前下劃線“_”特別標(biāo)示，其使用方法與調(diào)用函數(shù)一樣。例如C語(yǔ)言的飽和加法只能寫(xiě)為需要多周期的函數(shù)：

    
    這段復(fù)雜的代碼可以用_sadd()內(nèi)聯(lián)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)單周期的C6x指令。
    result=_sadd(a，b)；
    要提高C6000數(shù)據(jù)處理率，應(yīng)使一條Load／Store指令能訪問(wèn)多個(gè)數(shù)據(jù)。C6000有與內(nèi)聯(lián)函數(shù)相關(guān)的指令，例如_add2()，_mpyhl()，_mpylh()等，這些操作數(shù)以16位數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)在32位寄存器的高位部分和低位部分。當(dāng)程序需要對(duì)一連串短型數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)，可使用字1次訪問(wèn)2個(gè)短型數(shù)據(jù)，然后使用C6000相應(yīng)指令來(lái)處理數(shù)據(jù)。相似的在C64x或C67x中，有時(shí)需要執(zhí)行64位的LDDW來(lái)訪問(wèn)兩個(gè)32位數(shù)據(jù)，4個(gè)16位數(shù)據(jù)，甚至8個(gè)8位數(shù)據(jù)。
3．2．4 循環(huán)展開(kāi)
    循環(huán)展開(kāi)是改進(jìn)性能的另一種，即把小循環(huán)的迭代展開(kāi)，以讓循環(huán)的每次迭代出現(xiàn)在代碼中。這種方法可增加并行執(zhí)行的指令數(shù)。當(dāng)每次迭代操作沒(méi)有充分利用C6000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種使循環(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C／C++代碼中展開(kāi)。
3．3 匯編優(yōu)化
    在對(duì)C／C++代碼使用了所有的C／C++優(yōu)化手段之后，如果仍然不滿意代碼的性能，就可以寫(xiě)線性匯編程序，然后用匯編優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，生成高性能的代碼。
3．3．1 寫(xiě)線性匯編
    使用C6000的剖析工具(Profiling Tools)可以找到代碼中最耗費(fèi)時(shí)間的部分，就是這部分需要用線性匯編重寫(xiě)。線性匯編代碼與匯編源代碼相似，但是，線性匯編代碼中沒(méi)有指令延遲和寄存器使用信息。這樣做的目的是由匯編優(yōu)化器來(lái)為自己設(shè)定這些信息。
    寫(xiě)線性匯編代碼時(shí)，需要知道：匯編優(yōu)化器偽指令、影響匯編優(yōu)化器行為的選項(xiàng)、TMS320C6000指令、線性匯編源語(yǔ)句語(yǔ)法、指定寄存器或寄存器組、指定功能單元、源代碼注釋等。
3．3．2 匯編優(yōu)化器優(yōu)化
    匯編優(yōu)化器的任務(wù)主要有：
    (1)編排指令，最大限度的利用C6000的并行能力；
    (2)確保指令滿足C6000的延遲要求(Latency Requirements)；
    (3)為源代碼分配寄存器。

4 結(jié) 語(yǔ)
    C6000系列的DSP C／c++代碼優(yōu)化比傳統(tǒng)的代碼優(yōu)化要方便的多，但要真正發(fā)揮其芯片的工作效率還是需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧。這不僅要求開(kāi)發(fā)人員熟悉其硬件體系，還要求對(duì)編譯器的編譯原理有一定的理解。另外，在C語(yǔ)言層面上要達(dá)到DSP芯片的峰值即8條指令并行是很難的，大多情況下都只能達(dá)到6．7條指令并行。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，若優(yōu)化結(jié)果已達(dá)到6，7條指令并行卻還離實(shí)時(shí)的要求相差很遠(yuǎn)，再花大量的人力去力求達(dá)到8條指令并行是不經(jīng)濟(jì)的，此時(shí)應(yīng)該考慮其他的技術(shù)改進(jìn)或策略上的調(diào)整以求達(dá)到目的。