TI：使用CLT工具優(yōu)化C6000代碼

摘要

在C6000 DSP的開發(fā)過程中，優(yōu)化是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)對象不同可以分為系統(tǒng)，算法，代碼以及內(nèi)存優(yōu)化。通常，開發(fā)者熟悉自己的代碼，會從前三個(gè)方面修改以獲得整體性能的提升，但是對于內(nèi)存尤其是緩存（Cache）的優(yōu)化，因?yàn)槠渖婕暗?a target="_blank">芯片本身的架構(gòu)，Cache的維護(hù)由DSP自動完成，用戶通常不能干預(yù)，所以似乎無從著手；考慮到這些實(shí)際的問題，從TI的7.0系列編譯器開始支持使用緩存優(yōu)化工具（Cache Layout Tools）對C6000代碼進(jìn)行優(yōu)化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成L1P Cache性能的提升，本文詳細(xì)介紹了該工具的使用方法。

1.引言

目前，使用TI DSP的用戶越來越多，在C6000系列DSP中，包含了C64x, C64x+, C66x等。在C6000 DSP的開發(fā)過程中，為了充分利用DSP的計(jì)算資源，需要對用戶程序進(jìn)行優(yōu)化的工作，根據(jù)對象不同可以分為系統(tǒng)，算法，代碼以及內(nèi)存優(yōu)化。通常，開發(fā)者熟悉自己的系統(tǒng)和代碼，可以比較方便的從前三個(gè)方面修改以獲得整體性能的提升，但是對于內(nèi)存尤其是緩存（Cache）的優(yōu)化，因?yàn)槠渖婕暗叫酒旧淼募軜?gòu)，Cache的維護(hù)由DSP自動完成，用戶通常不能干預(yù)，所以似乎無從著手；考慮到這些實(shí)際的問題，從TI 的7.0 系列編譯器開始支持使用緩存優(yōu)化工具（Cache Layout Tools）對C6000代碼進(jìn)行優(yōu)化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成L1P Cache性能的提升，本文詳細(xì)介紹了該工具的使用方法。

2.C6000 DSP內(nèi)核緩存機(jī)制

C6000系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)如下圖所示。

Figure 1.C6000存儲器結(jié)構(gòu)

存儲器分成三級：第一級是L1，包括數(shù)據(jù)存儲器（L1D）和代碼存儲器(L1P)；第二級是代碼和數(shù)據(jù)共用存儲器（L2以及MSMC SRAM）；第三級是外部存儲器，主要是DDR存儲器。L1P、L1D和L2的Cache功能分別由相應(yīng)的L1P 控制器、L1D控制器和L2控制器完成。

在C6000 DSP中通常我們會把L1P全部配置成Cache，當(dāng)CPU發(fā)出取指命令，首先會從L1P里查找，如果L1P找不到，則到下一級Cache或者M(jìn)emory里查找，當(dāng)找到需要的地址，則將其讀入L1P里，CPU從中讀取執(zhí)行。
因?yàn)長1P Cache的大小是有限的（本文以32KB為例），而用戶內(nèi)存空間一般大于32KB，必須采取一種映射的方式使得所有地址都能被L1P緩存；在C6000 DSP中，L1P Cache使用地址直接映射，所有DSP 核可訪問的地址對L1P Cache大?。?2K）取模就能得到該地址在L1P Cache的偏移值。

如果用戶代碼在內(nèi)存排布不合理，可能會在L1P Cache中發(fā)生反復(fù)的內(nèi)容替換，下圖中的例子是一個(gè)極端情況。

Figure 2. 函數(shù)的不正確排布

TOP函數(shù)中FOR循環(huán)反復(fù)調(diào)用A 函數(shù)，而A,B,C三個(gè)函數(shù)在內(nèi)存地址的分布上，與32KB邊界的偏移地址是一樣的，因此，A,B,C將對應(yīng)L1P里同一個(gè)CACHE位置；其運(yùn)行流程如下

當(dāng)執(zhí)行A時(shí)，CPU需要把A函數(shù)調(diào)入到Cache偏移值N的位置上；

A調(diào)用B，此時(shí)調(diào)入B到Cache偏移值N 的位置上，覆蓋A的代碼；

B調(diào)用C，此時(shí)調(diào)入C到Cache偏移值N 的位置上，覆蓋B的代碼；

C返回，下一次循環(huán)調(diào)入A到Cache中覆蓋C的代碼。

DSP核對L1P，L2，DDR的訪問速度差異很大，對L1P的訪問通常在1 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，而L2平均需要3-5個(gè)周期，DDR訪問需要的時(shí)間更多，因此我們應(yīng)該盡量避免上述這種反復(fù)重寫Cache的情況，盡可能的減少函數(shù)在Cache中的置換。

如何解決該問題？最好的解決方法則是將A，B,C在內(nèi)存中連續(xù)排放，這樣對Cache的操作次數(shù)將降到最低，能夠有效的提高執(zhí)行效率，如下圖所示，只要A，B，C總的大小不超過32KB，它們在Cache中的偏移值就是連續(xù)的，不會發(fā)生覆蓋的現(xiàn)象，即使其總和大于32KB，發(fā)生置換的也僅僅是超過32K的部分。

Figure 3. 函數(shù)的正確排布

3.內(nèi)存優(yōu)化工具

通過上述機(jī)制可以看到，對于L1P Cache的優(yōu)化主要通過分析函數(shù)調(diào)用關(guān)系和其在內(nèi)存的分布。由于用戶代碼日益復(fù)雜，人工分析代碼調(diào)用關(guān)系和地址排布需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，從7.0系列編譯工具開始，TI提供了一套內(nèi)存優(yōu)化工具(Cache Layout Tools)來幫助用戶輕松快捷地解決該問題。

該工具的原理是在用戶進(jìn)行程序編譯時(shí)打開生成分析信息選項(xiàng)，編譯器會自動加入分析記錄代碼到用戶程序里，之后用戶在TI DSP simulator或者DSP芯片上運(yùn)行該可執(zhí)行文件，內(nèi)置的分析代碼會自動記錄用戶的函數(shù)調(diào)用關(guān)系及調(diào)用次數(shù)。運(yùn)行的案例越多，記錄的信息會更詳細(xì)，優(yōu)化的效果也就越好。

在得到函數(shù)運(yùn)行時(shí)信息以后，就可以使用編譯器工具對其進(jìn)行分析，生成函數(shù)排布的順序，最后將此排布順序輸入到編譯器里重新編譯原代碼，生成的可執(zhí)行文件就已經(jīng)優(yōu)化過內(nèi)存排布，具體的操作可以參照以下實(shí)例。

4.實(shí)例教程
該實(shí)例主要由三個(gè)C文件組成，

實(shí)例中使用DSP計(jì)數(shù)器TSCL來統(tǒng)計(jì)cycle數(shù)，子函數(shù)放在sub目錄下。

使用實(shí)例的步驟如下，

1.編譯代碼

使用TI編譯器對該實(shí)例進(jìn)行編譯，為了產(chǎn)生用于profile的信息，需要在編譯時(shí)增加--gen_profile_info選項(xiàng)。如果使用命令還形式，命令行下運(yùn)行Compile.bat文件，cl6x的具體參數(shù)可以參考spru186和spru187兩篇文檔，一般可以在編譯器的安裝目錄下找到他們，如C:\Program Files(x86)\Texas Instruments\C6000 Code Generation Tools 7.3.9\doc。

同時(shí)在目錄下生成OBJ和ASM文件，這個(gè)和我們的實(shí)驗(yàn)關(guān)系不大，可以不用關(guān)注。out文件是一會需要下載到芯片里運(yùn)行的可執(zhí)行文件，而map文件用于幫助我們定位profile信息存放的內(nèi)存地址。

如果用戶使用CCS編譯工具，則需要在Build的屬性里指定Feedback選項(xiàng)，然后正常編譯即可生成攜帶分析代碼的可執(zhí)行文件。

Figure 4. CCS初編譯的選項(xiàng)