TMS320C6000系列DSP的軟件優(yōu)化

1 DSP系統(tǒng)的軟件優(yōu)化流程

DSP系統(tǒng)的軟件優(yōu)化流程如圖1所示。整個(gè)工作流程分為3個(gè)階段：

第1階段，直接根據(jù)需要用高級(jí)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)DSP功能，測(cè)試代碼的正確性。然后，移植到C6X平臺(tái)，利用C6X開(kāi)發(fā)環(huán)境Profile測(cè)試程序的運(yùn)行時(shí)間。若不滿(mǎn)足要求，則進(jìn)入下一階段。

第2階段，利用C6X提供的優(yōu)化方式和其他各種優(yōu)化技巧，如使用不同的編譯器選項(xiàng)使能軟件流水，循環(huán)展開(kāi)，字存取代替半字存取等，優(yōu)化C語(yǔ)言代碼。如果還不能滿(mǎn)足要求，則進(jìn)入第3階段。

第3階段，將C語(yǔ)言代碼中耗時(shí)最長(zhǎng)的部分抽取出來(lái)，用線(xiàn)性匯編語(yǔ)言重寫(xiě)，用匯編優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化。使用profile確定這段代碼是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2 優(yōu)化過(guò)程

首先，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，并通過(guò)編譯驗(yàn)證其正確性。然后，使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和合適的優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)CCS中的profiler確定是否有函數(shù)需要被進(jìn)一步優(yōu)化，使用線(xiàn)性匯編語(yǔ)言重寫(xiě)需要被優(yōu)化的函數(shù)。最后，使用匯編優(yōu)化編程技巧和匯編優(yōu)化器優(yōu)化匯編代碼。

2.1 編譯器

當(dāng)優(yōu)化器被激活時(shí)，將完成圖2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(Optimizer)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 generator)的輸入，最終生成匯編文件(.asm)。當(dāng)選擇編譯選項(xiàng)時(shí)，-o2和-o3將盡可能地優(yōu)化軟件。

2.2 編譯器內(nèi)聯(lián)函數(shù)

TMS320C6X提供了很多內(nèi)聯(lián)函數(shù)，它們直接映射為內(nèi)嵌C6X匯編指令的特殊函數(shù)，這樣可迅速優(yōu)化C語(yǔ)言代碼。C編譯器以?xún)?nèi)聯(lián)函數(shù)的形式支持所有C語(yǔ)言代碼不易表達(dá)的指令。內(nèi)聯(lián)函數(shù)用下劃線(xiàn)"_"開(kāi)頭，如例2，使用時(shí)如同調(diào)用普通函數(shù)一樣。下面結(jié)合實(shí)例，研究一下完成200點(diǎn)點(diǎn)積經(jīng)過(guò)上述各種優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化后的代碼效率。完成200點(diǎn)的點(diǎn)積運(yùn)算C語(yǔ)言代碼程序dotp.c如下：

3 線(xiàn)性匯編代碼的優(yōu)化

優(yōu)化線(xiàn)性匯編代碼，首先是盡可能地使指令并行，使得同一時(shí)間內(nèi)多個(gè)功能單元同時(shí)被使用，然后是調(diào)整代碼順序，縮減等待時(shí)延(NOPS)，如例5。接下來(lái)使用字訪(fǎng)問(wèn)short型數(shù)據(jù)，如例6，最后使用軟件流水技術(shù)。當(dāng)進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，并不是要按順序地完成上面的每一步。只要達(dá)到要求，就可以結(jié)束。

3.1 C語(yǔ)言代碼轉(zhuǎn)換到線(xiàn)性匯編代碼

定點(diǎn)點(diǎn)積中，C語(yǔ)言代碼內(nèi)部循環(huán)使用線(xiàn)性匯編指令，如例3所示。

3.2 線(xiàn)性匯編的資源分配

①裝載指令(LDW)必須使用.D單元。
②乘法指令(MPY和MPYH)必須使用.M單元。
③加法指令(ADD)使用.L單元。
④減法指令(SUB)使用.S單元。
⑤跳轉(zhuǎn)指令(B)使用.S單元。

由此得到例4的匯編代碼。

完成200次循環(huán)迭代，經(jīng)過(guò)profile clock分析循環(huán)部分，需要16×200=3200 cycles。 3.3 使用并行指令完成點(diǎn)積代碼

使用并行指令完成點(diǎn)積代碼如例5所示。

使用并行指令，循環(huán)體內(nèi)需要8個(gè)時(shí)鐘周期。這段循環(huán)代碼的執(zhí)行周期為8×200=1600 cycles。 3.4 使用字存取原short型數(shù)據(jù)
為進(jìn)一步提高效率，使用字存取原short型數(shù)據(jù)，如例6所示。

這段代碼在循環(huán)體內(nèi)仍然是8個(gè)時(shí)鐘周期，迭代100次為8×100=800 cycles。

4 軟件流水技術(shù)

軟件流水技術(shù)是用在循環(huán)語(yǔ)句中調(diào)用指令的方法，即安排循環(huán)中的多個(gè)迭代運(yùn)算并行執(zhí)行。在編譯C語(yǔ)言代碼時(shí)，可以選擇編譯器的-o2或-o3選項(xiàng)，編譯器將根據(jù)程序盡可能地安排軟件流水。圖3所示為運(yùn)用軟件流水的循環(huán)結(jié)構(gòu)，它包括A、B、C、D、E五次迭代，同一周期最多執(zhí)行五次迭代的不同指令(陰影部分)。圖3中陰影部分稱(chēng)為"循環(huán)內(nèi)核"，核中不同的指令并行執(zhí)行。核前執(zhí)行的過(guò)程稱(chēng)為"流水線(xiàn)填充"，核后執(zhí)行的過(guò)程稱(chēng)為"流水線(xiàn)排空"。

在DSP算法中存在大量的循環(huán)操作，因此充分運(yùn)用軟件流水線(xiàn)方式，能極大地提高程序的運(yùn)行速度。當(dāng)手繪軟件流水時(shí)，首先要畫(huà)出相關(guān)圖，如圖4所示，然后建立軟件流水迭代間隔編排表，最后根據(jù)編排表寫(xiě)出程序。 在畫(huà)相關(guān)圖時(shí)應(yīng)遵循：

①畫(huà)出節(jié)點(diǎn)和路徑；
②寫(xiě)出完成各指令需要的CPU周期；
③為各節(jié)點(diǎn)指派功能單元；
④分開(kāi)路徑，以使最多的功能單元被使用。

根據(jù)相關(guān)圖寫(xiě)出模迭代間隔安排表，如表1所列。

由此迭代間隔表寫(xiě)出對(duì)應(yīng)代碼：

由此得到的代碼所需CPU時(shí)鐘周期為7+100+l=108 cycles。

5 總 結(jié)

各種優(yōu)化技術(shù)所需時(shí)鐘數(shù)如表2所列。表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為循環(huán)內(nèi)核時(shí)鐘周期，括號(hào)前數(shù)字為流水線(xiàn)填充時(shí)鐘周期，括號(hào)后數(shù)字為流水線(xiàn)排空CPU時(shí)鐘周期。

由此得出遵循以上的軟件優(yōu)化流程和代碼優(yōu)化技術(shù)，可以極大地提高代碼效率，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。