DSP信道譯礙算法優(yōu)化

雖然Texas Instrument推出的C6000系列DSP使對(duì)信號(hào)處理的能力顯著提高，但對(duì)信息處理能力要求的不斷提升使提對(duì)DSP程序的優(yōu)化越來(lái)越成為DSP開(kāi)發(fā)工作中非常重要的環(huán)節(jié)。本文討論2Mbps視頻數(shù)據(jù)流的Viterbi算法的移植與優(yōu)化策略、技巧。
　　1 Viterbi算法原理簡(jiǎn)介
　　Viterbi譯碼算法是由Viterbi于1967年提出的一種最大似然譯碼方法，譯碼器根據(jù)接收序列R按最大似然準(zhǔn)則力圖找出正確的原始碼序列。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用Viterbi算法的卷積編碼技術(shù)已成為廣泛應(yīng)用的糾錯(cuò)方案。Viterbi譯碼過(guò)程可用狀態(tài)圖表示，圖1表示2個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。Sj，t和Sj+N/2，t表示t時(shí)刻的兩個(gè)狀態(tài)。在t+1時(shí)刻，這兩個(gè)狀態(tài)值根據(jù)路徑為0或者1，轉(zhuǎn)移到狀態(tài)S2j，t+1和S2j+1，t+1。每一種可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移都根據(jù)接收到的有噪聲的序列R計(jì)算路徑度量，然后選擇出各個(gè)狀態(tài)的最小度量路徑（幸存路徑）。Viterbi算法就是通過(guò)在狀態(tài)圖中尋找最小量路徑向前回溯L步，最后得到的即為譯碼輸出。
　　在卷積碼（n，k，m）表示法中，參數(shù)k表示每次輸入信息碼位數(shù)，n表示編碼的輸出卷積碼位數(shù)，m稱(chēng)為約束長(zhǎng)度（一些書(shū)中采用k=m+1為約束長(zhǎng)度，也可稱(chēng)（2，1，2）碼網(wǎng)格圖，r=k/n稱(chēng)為信息率，即編碼效率。本文使用的是（2，1，3）碼，約速長(zhǎng)度為2，狀態(tài)數(shù)為2 2=-4。
　　2 目標(biāo)處理器簡(jiǎn)介
　　TMS320C6000系列DSPs（數(shù)字信號(hào)處理器）是TI公司推出的一種并行處理的數(shù)字信號(hào)處理器，是基于TI的VLIW技術(shù)的。本文采用的是TMS320C6211。該處理器的工作頻率經(jīng)過(guò)倍頻可達(dá)到150MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可并行執(zhí)行8條指令，從而可以實(shí)現(xiàn)1200MIPS定點(diǎn)運(yùn)算能力。C6000系列CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，其程序總線與數(shù)據(jù)總線分開(kāi)，取指令與執(zhí)行指令可以并行運(yùn)行。其程序總線寬度為256位，每一次取指操作都是取8條指令，稱(chēng)為一個(gè)取指包，執(zhí)行時(shí)每條指令占用1個(gè)功能單元。取指、指令分配和指令譯碼單元都具有每周期讀取并傳遞8條32位指令的能力。C6000系列CPU有2個(gè)類(lèi)似的可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)通道A和B，每個(gè)通路有4個(gè)功能單元（.L、.S、.M、.D）和1組包括16個(gè)（C64有32個(gè)）32位寄存器的通用寄存器組，每個(gè)功能單元完成一定的算術(shù)或邏輯運(yùn)算。
　　C6000的特殊結(jié)構(gòu)使多個(gè)指令交迭地在不同功能單元內(nèi)處理，大大提高了微處理器的處理能力。另外在其CPU硬件結(jié)構(gòu)上，C6000的流水線分為三個(gè)階段：取指、譯碼、執(zhí)行，每一級(jí)又包含幾個(gè)節(jié)拍。流水處理使得若干條指令的不同執(zhí)行階段可以并行執(zhí)行，從而能夠大幅度提高程序運(yùn)行速度。
　　3 算法的編程實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化
　　根據(jù)C6000的軟件編程流程，對(duì)Viterbi算法的編程及其優(yōu)化可分為三個(gè)階段來(lái)進(jìn)行。這三個(gè)階段分別為：開(kāi)發(fā)C代碼、優(yōu)化C代碼、編寫(xiě)線性匯編代碼。在代碼編寫(xiě)和優(yōu)化過(guò)程中，這三個(gè)階段不是必須都要經(jīng)過(guò)的，只要在某一階段已經(jīng)滿足了算法代碼的功能和性能要求，就不必繼續(xù)進(jìn)行下面的階段。
　?、匍_(kāi)發(fā)C代碼。這一階段完全是根據(jù)任務(wù)要求來(lái)完成算法的代碼編寫(xiě)工作。在C6000的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Studio）下進(jìn)行代碼的編譯和功能驗(yàn)證，然后可用CCS的調(diào)試工具（如Profiler），利用在程序中設(shè)置斷點(diǎn)的方法可找出程序中耗時(shí)最多、最影響整體性能的代碼段。為改進(jìn)代碼性能，可進(jìn)入下一階段。如下是針對(duì)（2，1，3）碼的Viterbi算法代碼中完成算法功能的核心循環(huán)，也是最耗時(shí)、最影響代碼整體性能的低效率段。
　　for（c=0;c《unmber_of_input;c++） //對(duì)每一個(gè)輸入值，設(shè)number_of_input=24
　　{for（j=0;j《number_of_states;j++） //對(duì)于每個(gè)狀態(tài)（2，1，3）狀態(tài)數(shù)為4
　　{for（i=0;i《2;i++） //對(duì)于狀態(tài)的每個(gè)可能輸入，比如1，0
　　{/*計(jì)算度量值*/
　　branch_metric=hamm（conv_output，c，channel_data）;
　　/*比較累計(jì)度量保留其中最小，并且記錄其狀態(tài)路徑*/
　　if（accum_err_metric［nextstate［j］［1］》accum_err_metric［j］［0］+branch_metric］
　　{accum_err_metric［nextstate［j］［1］=accum_err_metric［j］［0］+branch_metri;
　　state_history［nextstate［j］］［sh_ptr］=j;
　　}
　　}*/end of i《2*/
　　}/*end of j《number_of_states*/
　　}/*end of c《number_of_input*/
　　其中調(diào)用函數(shù)hanmm是計(jì)算當(dāng)前輸入值與網(wǎng)絡(luò)圖上的值相比較所返回的度量值。
　　Int hamm（char output_vector，int x，char channel_output［24］）
　　{char target_vector=0;
　　int hamm=0;
　　int i=0;
　　int i=0;
　　target_vector=（output_vector）^channel_output［x］;
　　for（i=1;i》=0;i--）
　　hamm+=（target_vector》》i）&0x01;
　　return hamm;
　　}
　　在驗(yàn)證了算法代碼實(shí)現(xiàn)功能并以設(shè)置斷點(diǎn)的方法測(cè)試代碼的性能，這段循環(huán)運(yùn)行耗時(shí)（時(shí)鐘周期）為1790。顯然，性能不能達(dá)到要求，就要進(jìn)入代碼優(yōu)化的第二階段了。
　?、谝话阍诖a調(diào)試中，最影響性能的是其中的循環(huán)代碼段。而軟件流水是一種用于安排循環(huán)內(nèi)的指令運(yùn)行方式，盡可能充分利用CPU的功能單元等資源，使循環(huán)的多次迭代能夠并行執(zhí)行的一種技術(shù)。在C6000的C/C++編譯器里，采用軟件流水使編譯出來(lái)的程序代碼優(yōu)化是一項(xiàng)核心技術(shù)。所以在進(jìn)一步優(yōu)化之前，需要調(diào)整并盡可能簡(jiǎn)化代碼的結(jié)構(gòu)并去除影響軟件流水的因素使其能夠被編譯器充分流水，這對(duì)大幅提高整個(gè)代碼的性能非常重要。
　　所以，在考慮影響因素同時(shí)對(duì)Viterbi算法的循環(huán)代碼進(jìn)行如下調(diào)整；
　　*使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)（intrinsics）替代復(fù)雜的C語(yǔ)言程序。C6000編譯器提供了許多intrinsics，可以快速優(yōu)化C代碼。Intrinsics是直接參與C6000匯編指令映射的內(nèi)聯(lián)函數(shù)。在這里使用了 _extu（x，y，z），以簡(jiǎn)化其中hamm代碼部分。
　　*盡管軟件流水循環(huán)可包含intrinsics，但不能包含函數(shù)調(diào)用。所以需要把調(diào)用函數(shù) hamm在循環(huán)中展開(kāi)實(shí)現(xiàn)。
　　*由于編譯器僅對(duì)最內(nèi)部的循環(huán)執(zhí)行流水，所以為了提高性能應(yīng)盡可能創(chuàng)造一比較大的內(nèi)循環(huán)。在代碼中可以看到，在最內(nèi)循環(huán)是i的兩次循環(huán)，僅對(duì)它進(jìn)行流水，對(duì)整個(gè)代碼的性能提高不大。所以一個(gè)想法是，將i和j循環(huán)全部展開(kāi)，使編譯器直接面對(duì)最大的C循環(huán)以最大發(fā)揮軟件流水的作用。
　　*另外，展開(kāi)循環(huán)后代碼中的變量如果可以確定其運(yùn)行中的值，就盡量以實(shí)值代入，這樣減少了變量個(gè)數(shù)，也就是減少了所需分配的寄存器個(gè)數(shù)（C62xxCPU中有32個(gè)寄存器）。
　　在進(jìn)行上述調(diào)整后運(yùn)行代碼，進(jìn)行測(cè)試發(fā)展，性能沒(méi)有太大改善；用編譯器反饋表（feedback）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，循環(huán)并沒(méi)有發(fā)生流水。這是為什么呢？原來(lái)在展開(kāi)內(nèi)部循環(huán)后導(dǎo)致C循環(huán)內(nèi)代碼尺寸太大，需要的寄存器數(shù)目大于C62XX 的32個(gè)寄存器，所以不能進(jìn)行軟件流水。為了解決這問(wèn)題，需要簡(jiǎn)化循環(huán)或?qū)⒀h(huán)拆成幾個(gè)小循環(huán)。在這里先將C循環(huán)內(nèi)部的小循環(huán)展開(kāi)，然后將其拆成分別完成度量計(jì)算和累計(jì)度量比較的兩個(gè)循環(huán)，這樣就減小了每個(gè)循環(huán)中的代碼尺寸。