C代碼在TMS320C54X上的手工匯編優(yōu)化.

1、C代碼在TMS320C54上的手工匯編優(yōu)化1 引言 隨著DSP技術的不斷發(fā)展和完善，數字信號處理的應用范圍越來越廣泛。工控、計算機、通信和消費電子產品中，都會找到它的影子。近年來，隨著多媒體通信的蓬勃發(fā)展，DSP也越來越多的應用在多媒體通信中，而 在多媒體通信中DSP多用于語音壓縮和圖像處理等方面，而這些都需要巨大的 計算量，在實時通信中一些低速 DSPt以滿足要求，而使用高速 DSP會大大提 高成本，所以對代碼進行優(yōu)化是現在 DSP開發(fā)中常用的一種方法。由于 DS P的 特殊結構，編譯器的編譯效率都比較低，難以將 DSP計算能力全部發(fā)揮出來， 所以就必須根據DSP的特殊結構和指令集代碼進行手

2、工的匯編優(yōu)化。本文結合筆者在 TI公司的TMS320VC5402 DSP上的對G.729算法的優(yōu)化經驗，提出一些優(yōu)化的方法和建議，而這些方法也適用其他 54系列的DSP。2 芯片介紹TMS320C54是 TI公司于1996年推出的新一代定點數字處理器，它具有功耗小、高度并行等優(yōu)點，可以滿足電信等眾多領域的實時處理要 求。54系列有很多不同型號的芯片，它們的結構都是一樣的，只是在接口和存 儲器空間上有些不同。在 54系列眾多DSP芯片中 TMS320VC540是使用最廣 泛的一種芯片，接下來將以TMS320VC540為例介紹54系列DSP的性能特點： 線器法 運算速度最高達 100MIPS 具有

3、先進的多總線結構 ,三條 16 位數據存儲器總線和一條程序存儲器總40位算術邏輯單元（ALU，包括一個40位桶形移位器和兩個40位累加一個 17bit X17bit 乘法器和 40位專用加法器，允許 16位帶/不帶符號乘8 個輔助寄存器和一個軟件棧內部采用改進的哈佛結構，程序空間和數據空間分開，允許同時取指令和 取操作數，并且允許在程序和數據空間相互傳送數據 最大64KX16bit外部數據空間，最大1MX 16bit外部程序空間， 4KX 16bit 片內 ROM 16KX 16bit 片內 RAM 內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生器、兩個多通道緩沖 串口、一個 8位并行與外

4、部處理器通信的 HPI 口、兩個 16位定時器以及 6通道 DMA空制器 支持單指令循環(huán)和塊循環(huán)，采用六級流水線，將一條指令執(zhí)行所需要的取指、譯碼、取操作數并執(zhí)行等幾個步驟同時完成，是指令周期降到最小適合算法的優(yōu)化3 代碼優(yōu)化對C代碼進行手工匯編優(yōu)化有三種方法：1.對照C代碼寫出匯 編代碼，這種方法優(yōu)化的效率很高，但是開發(fā)難度很大特別是當代碼量很大， 結構很復雜時優(yōu)化很容易出錯； 2.先用編譯器產生匯編代碼，然后改寫匯編代 碼，這種方法優(yōu)化的效率較低，因為框架被限定了，但是開發(fā)難度降低了，不 容易出錯。由于現在常用的一些音頻、圖像處理算法都是結構很復雜的程序，所以建議使 用第二種優(yōu)化方法。3.

5、1 產生匯編代碼TI公司為DSP開發(fā)者提供一套編譯開發(fā)平臺叫CCS (Code Composer Studio),該工具提供了編譯器可以將 C語言的程序 編譯為DSP的匯編語言程序，然后鏈接生成可以在 DSP上執(zhí)行的COFF格式的 out 文件。而CCS自身也提供優(yōu)化器可對C代碼進行優(yōu)化，并產生匯編語 言程序，具體過程如圖 1 所示。CCS提供了 4級的文件優(yōu)化方案，分別是 00 01、02、03,以下具體說明(1)00 寄存器級別執(zhí)行控制流程簡化 用寄存器分配變量 執(zhí)行交替循環(huán) 排除未用的代碼 簡化公式和表述 擴大對內連函數的調用(2)01 局部級別執(zhí)行所有 00級別的優(yōu)化，并且：執(zhí)行局部常

6、量的傳播 排除未用的賦值 排除局部共用表達式(3) O2 函數級別 執(zhí)行所有01級別的優(yōu)化，并且:執(zhí)行循環(huán)優(yōu)化排除全局共用子表達式 排除全局不用的賦值 執(zhí)行打開循環(huán)(4) O3 文件級別 執(zhí)行所有 01 級別的優(yōu)化，并且:排除未被調用的函數 簡化返回值沒被使用的函數 讓小函數變成內聯調用 保存函數說明，以便主函數被優(yōu)化時知道被調用 函數的屬性 識別文件級別的變量的特性在使用 03級別的優(yōu)化時，還可以使用別的選項執(zhí)行更細致的優(yōu)0LN 得到標準庫函數的文件0NN 創(chuàng)造優(yōu)化信息文件PM 執(zhí)行程序級別優(yōu)化，編譯多個源文件而我們在做優(yōu)化時，選的是 02級別的優(yōu)化，因為使用 02級別優(yōu)化后產生的匯編文件帶

7、有比較多的注釋信息，比較容易看懂程序，建議對程 序不太熟和對匯編語言不太熟練的人使用。3.2 手工匯編優(yōu)化 因為匯編語言可讀性很差，并且代碼量很大，所以手工優(yōu)化工作量很大，并且容易出錯。為了確保優(yōu)化不出錯，我們就先制作一段測試序列 即程序的輸入，然后運行程序對其進行處理，生成一段正確的結果序列，檢驗 手工優(yōu)化是否正確就是用優(yōu)化過的程序對相同的測試序列進行處理，比較生成 的結果序列和正確的結果序列是否一樣，一樣的話就代表優(yōu)化無誤。不過測試 序列要比較長，因為有的錯誤開始不會顯現出來，只是慢慢累積，運行一段時 間才會出現。接下來，就開始手工優(yōu)化的工作。下面就是我對手工優(yōu)化的一些經驗。(1) 盡量少

8、進行函數調用。因為進行函數調用的時候，要將PC壓棧，還要將一些寄存器壓棧，函數調用完后，還要出棧，這都是一些不必 要的操作，所以一些小的函數，就不調用，而是直接寫入主函數里，這樣可以 就可以減少那些壓棧出棧的操作，提高速度。(2) 優(yōu)化循環(huán)時，盡量將一些操作放到循環(huán)外面去，減少操作的次數。例如一些賦值和初始化操作，可以提到循環(huán)外面去做，來提高速度。(3) 去除一些冗余的賦值。編譯器產生的代碼有很多賦值，經常將一個值賦給寄存器，再賦給變量，這樣就產生了冗余。(4) 盡量使用RPT和RPTB來執(zhí)行循環(huán)操作。在編譯器產生的代碼里很多循環(huán)操作是通過條件判別來實現的，這樣就多了很多無用的判別代 碼，而5

9、4X的DSP芯片就提供專門的循環(huán)指令：RPT和RPTB RPT的功能就是 循環(huán)執(zhí)行下一條指令，循環(huán)次數由 RC寄存器的值決定，循環(huán)次數是 RC寄存器 的值加1所以執(zhí)行循環(huán)前要將循環(huán)次數減 1賦給RC寄存器；RPTB是塊循環(huán)指 令，它的功能是循環(huán)執(zhí)行一段指令，它的循環(huán)次數由BRC寄存器決定，循環(huán)次數是BRC的寄存器的值加1，所以使用前需將循環(huán)次數減1賦給BRC寄存器。(5) 使用比較快的尋址方式。在數字信號處理里面，會對大量 的數據進行大量的運算，如果使用比較快的尋址方式會大大減少指令周期。因 為數據大多是順序存放，所以我們用寄存器去尋址，操作完后自加 1 而指向下 個數據，這樣尋址會減少很多指

10、令周期。(6) 使用循環(huán)緩沖區(qū)。因為 FFT， FIR 等常用運算中都需要對 數據進行移位操作，如果數據量大的話，程序花在數據移位上的開銷就很大 了，如果使用循環(huán)緩沖區(qū)就可以不進行這些操作從而提高速度。(7) 使用一些專用指令。在 54 的指令系統里，有一些專用指 令執(zhí)行一些特殊的操作，例如平方， FIR 等，如果用其他指令代替需要多個指 令周期, 而使用專用指令值需要一個指令周期。(8)使用并行指令。因為DSP的流水線結構，可以讓一些指令同時運行，就產生了并行指令，使用并行指令會大大減少指令周期。(9) 將一些常用的程序和數據，放在片內 RAM1行。DSP芯片 上一般都帶有RAM而片內RAM

11、勺尋址速度比片外RAM快一至兩倍，所以將常 用程序和數據放在片內，會大大提高運行速度。3.3 優(yōu)化中常遇見的問題 在手工優(yōu)化過程時會遇到很多問題，以下幾點比較常見。（1） 對一些寄存器的設置。因為是手工優(yōu)化，所以對一些寄存 器都要自己賦值，例如ST0 ST1和PMST等，不同的設置會導致運算結果的不 一樣。其中一些用的比較多的位有 SXM OVM和 FRCT SXM是符號擴展位，如果 SXM=（就不進行符號擴展，如果SXM=B進行符號擴展（見圖2a）。OVMl溢 出模式位，當發(fā)生溢出時，如果 OVM=0出的結果就被送往目的寄存器，如果 OVM=就往目的寄存器送最大的正數（007FFFFFFFh

12、或最小的負數（FF80000000h。FRCT是小數模式位，當FRCT=1寸乘法的結果會左移一位 （見圖2b）。以上3個標志位的置位和復位是由 SSBX和 RSBX指令來完成 的。（2） 注意流水線沖突。 5402的芯片有一個 6 級深度的指令流 水線，這 6 級流水線彼此是獨立的，在任何一個機器周期內，可以有 1 至 6 條 不同的指令在工作。這 6 級流水線的功能分別是預取指、取指、譯碼、尋址、 讀數和執(zhí)行。C5402多級流水線操作可以讓多條指令同時指令訪問 CPU資源， 如果多個流水線同時訪問到相同的資源，就可能發(fā)生流水線沖突，有些沖突可 以由CPU!過延遲尋址的方法自動緩解，而有的沖突

13、是不能防止的，需要由程 序重新安排指令或插入空操作來解決。當用 CCS編譯器對C程序進行編譯的時 候，編譯器會自動加入NOP指令來解決流水線沖突，而進行手工優(yōu)化的時候， 就要特別注意這個問題，大部分流水線沖突都是因為同時訪問到某些寄存器， 只要根據等待周期表加入相應的 NOP指令就可以解決。（3） 對一些參數的保存。在手工優(yōu)化的過程中，我們會用某些還有就是某些標志位的保存，因為在調用函數的過程會 所以在調用完后要將其恢復。寄存器來傳遞數據，而在此過程中，如果調用了別的函數，這些寄存器的值就 有可能被改變，所以在調用這些函數的時候，要先將這些參數壓棧保存，調用 完后再將其出?；謴汀８淖冞@些狀態(tài)標

14、志位，(4)循環(huán)緩沖區(qū)地址分配問題。循環(huán)緩沖區(qū)的地址分配必須對 齊，長度為R的緩沖區(qū)必須從N位地址的邊界開始（即循環(huán)緩沖區(qū)基地址的 N 個最低有效位必須為0）, N是滿足2NR的最小的整數。例如，長度 R=31的 循環(huán)緩沖區(qū)必須從地址 XXXX XXXX XXX0 00002 （N=5, 2531，該地址的最 低 5 位為 0）。（5）內存泄漏問題。因為DSP使用的是哈佛結構，數據空間和 程序空間是分開的，一般數據的操作不會影響到程序。但是DSP芯片上都帶有RAM而這些空間數據和程序是共享的，所以對該部分的數據進行操作，如果有 泄漏的話會改寫程序，導致程序跑飛。因此程序跑飛的話，就要考慮是否有內 存泄漏。4 結論以上經驗和技巧均是筆者在實際的 DSP工程中總結得出，實踐 證明對實