基于TMS320VC5402 DSP的特殊結構和指令集代碼實現手工匯編優(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DSP難以滿足要求，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DSP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工的匯編優(yōu)化。

本文結合在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

TMS320C54X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 TMS320VC5402是使用最廣泛的一種芯片，接下來將以TMS320VC5402為例介紹54系列DSP的性能特點：

● 運算速度最高達100MIPS

● 具有先進的多總線結構，三條16 位數據存儲器總線和一條程序存儲器總線

● 40位算術邏輯單元（ALU），包括一個40位桶形移位器和兩個40位累加器

● 一個17bit×17bit乘法器和40位專用加法器，允許16位帶/不帶符號乘法

● 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64K×16bit外部數據空間，最大1M×16bit外部程序空間，4K×16bit片內ROM，16K×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位并行與外部處理器通信的HPI口、兩個16位定時器以及6通道DMA控制器

● 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。

3.1 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O0、O1、O2、O3，以下具體說明。

（1） O0 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） O1 局部級別

執(zhí)行所有O0級別的優(yōu)化，并且：

● 執(zhí)行局部常量的傳播

● 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O1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O1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O3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)化

● OLN 得到標準庫函數的文件

● ONN 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O2級別的優(yōu)化，因為使用O2級別優(yōu)化后產生的匯編文件帶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54x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(tǒng)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RAM運行。DSP芯片上一般都帶有RAM，而片內RAM的尋址速度比片外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=0就不進行符號擴展，如果SXM=1就進行符號擴展（見圖2a）。OVM是溢出模式位，當發(fā)生溢出時，如果OVM=0溢出的結果就被送往目的寄存器，如果OVM=1就往目的寄存器送最大的正數（007FFFFFFFh）或最小的負數（FF80000000h）。FRCT是小數模式位，當FRCT=1時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通過延遲尋址的方法自動緩解，而有的沖突是不能防止的，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＿€有就是某些標志位的保存，因為在調用函數的過程會改變這些狀態(tài)標志位，所以在調用完后要將其恢復。

（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2N＞R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=5，25＞＞31，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在實際的DSP工程中總結得出，實踐證明對實際開發(fā)非常有幫助。以對G.729算法優(yōu)化為例，在優(yōu)化之前，G.729的運算量為1000MIPS，優(yōu)化后的運算量為30MIPS，提高了30多倍，可見優(yōu)化的效果很明顯。以上這些經驗主要是針對TI公司的 54系列，但對于別的型號的DSP也有借鑒作用。

責任編輯：gt