TMS320C64x系列 DSP的軟件優(yōu)化技術(shù)

葛 珊，徐書文

(中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015)

數(shù)字信號處理器(DSP)的應(yīng)用起始于20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于無線通信、一維信號處理(FFT運算)、二維信號處理(圖像處理)等數(shù)據(jù)運算量大的系統(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)功能也從簡單的數(shù)據(jù)讀取擴展到控制、通信于一體的數(shù)字信號處理器。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、功能更強大的產(chǎn)品?；谄涮厥獾挠布?、軟件結(jié)構(gòu)，已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)信號處理、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)計方面進行優(yōu)化設(shè)計，才能大幅度提高算法的運算速度，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)計人員首要考慮的問題。軟件優(yōu)化技術(shù)對實現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)具有重要意義［1－4］。

1 優(yōu)化設(shè)計

1.1 開發(fā)系統(tǒng)配置

CCS 2.0(C6000)是TI推出的專門開發(fā)C6000系列DSP的集成開發(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控制編譯器選項中選擇－o2/－o3選項，這樣可以使編譯器最大限度地進行分析和優(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，編寫時應(yīng)遵循下述規(guī)則:

1)對于定點乘法輸入應(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)對循環(huán)計數(shù)器使用int或unsigned int類型，避免不必要的符號擴展指令;

3)使用restrict關(guān)鍵字限定一個指針、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寬的存儲空間通路，用字或者雙字的讀取和存儲操作數(shù)來進行字或者半字?jǐn)?shù)據(jù)訪問;

3)合并多操作為單個操作指令，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)，減少代碼長度，利于簡化編程。

1.4 交叉匯編代碼使用

由于C語言靈活性強、便于閱讀，在編寫程序代碼時，可以用C語言編寫代碼的主體框架，將代碼中耗時最長的部分抽取出來，用并行匯編代碼編寫，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個方面進行考慮，分別是循環(huán)次數(shù)、冗余循環(huán)、循環(huán)展開和推測執(zhí)行。

1)循環(huán)計數(shù)

最有效的軟件流水的循環(huán)是按遞減計數(shù)形式對循環(huán)進行計數(shù)?？梢赃x擇編譯器的－o2或－o3選項優(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，也對代碼性能有影響。因此，運用編譯器的－mh或－mhn選項可以減少冗余循環(huán)，提高編譯器完成優(yōu)化的能力。

3)循環(huán)展開

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

4)推測執(zhí)行

運用編譯器的－mh選項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，可以獲得更簡潔的代碼和更佳的性能。

2 優(yōu)化設(shè)計中注意的問題及解決方法

2.1 軟件流水限制條件

在以下3種情況中，不能進行軟件流水:

1)如果一個寄存器值存在的時間過長，這個代碼不能進行軟件流水;

2)如果循環(huán)體內(nèi)有復(fù)雜的條件代碼，對于C64x超過6個條件寄存器時，這個循環(huán)不可以進行軟流水;

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

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)通過安排指令，當(dāng)操作數(shù)被更新至少一個周期以后再進行交叉通路操作數(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能夠在每個時鐘周期、每個數(shù)據(jù)交叉通路進行一次源操作數(shù)讀取操作，可以避免交叉通路阻塞。

3 仿真驗證

以計算兩個16×16像素圖像的灰度絕對差為例，分析程序優(yōu)化前后的運算耗時情況。兩個16×16像素圖像的灰度絕對差公式為

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

1)方法1，用1條16 bit數(shù)據(jù)加載指令(LDHU，2LDB)實現(xiàn)一次加載2個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)實現(xiàn)一次加載4個8 bit(雙字)數(shù)據(jù)處理，并且運用一組DOTPU4，SUBABS4指令進行運算。

3)方法3，用1條64 bit數(shù)據(jù)加載指令(LDDW，LDNDW)實現(xiàn)一次加載8個8 bit(4個字)數(shù)據(jù)處理，并且運用兩組并行的DOTPU4，SUBABS4指令進行運算，同時使用并行的匯編代碼，充分利用某些指令的延時間隙，執(zhí)行代碼。

優(yōu)化前后運算時間對比見表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)計主要是通過利用數(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，可以大大減少運算時間，提高運行速度。

4 結(jié)論

在TMS320C64x系列DSP芯片應(yīng)用中，大部分每秒百萬次指令運算發(fā)生在緊湊的循環(huán)中，所以對于C64x代碼產(chǎn)生工具來說，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，為高速實時系統(tǒng)設(shè)計提供了一種很好的解決方法。

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

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

［3］覃團發(fā)，泰德興，劉遠(yuǎn)毅，等.基于TMS320C6416的寬帶語音G.722.2聲碼器的實時實現(xiàn)［J］.電聲技術(shù)，2006，30(1):48－51