基于TMS320C6000的優(yōu)化策略分享

分享到：標(biāo)簽：TMS320C6000 優(yōu)化編程 DSP
　　1 TMS320C6000的硬件設(shè)計(jì)和指令系統(tǒng)
　　TMS320C6000系列DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是TI公司最新推出的一種并行處理的數(shù)字信號(hào)處理器。它是基于TI的VLIW技術(shù)的，其中，TMS320C62xx是定點(diǎn)處理器，TMS320C67xx是浮點(diǎn)處理器。本文主要討論TMS320C6201。該處理器的工作頻率最高可以采用50MHz，經(jīng)內(nèi)部4倍頻后升至200MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可以并行執(zhí)行8條指令，從而可以實(shí)現(xiàn)1600MIPS的定點(diǎn)運(yùn)算能力，而且完成1024定點(diǎn)FFT的時(shí)間只需70μs。
　　1.1 TMS320C6000的硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　圖1是TMS320C6000 CPU的結(jié)構(gòu)圖。
　　TMS320C6000的CPU有兩個(gè)數(shù)據(jù)通道A和B，每個(gè)通道有16個(gè)32位字長的寄存器（A0～A15，B0～B15），四個(gè)功能單元（L，S，M，D），每個(gè)功能單元負(fù)責(zé)完成一定的算術(shù)或者邏輯運(yùn)行。A、B兩通道的寄存器并不是完全共享，只能通過TM320C6000提供的兩個(gè)交換通道1X、2X，才能實(shí)現(xiàn)處理單元從不同通道的寄存器堆那里獲取32位字長的操作數(shù)。
　　TMS320C6000的地址線為32位，存儲(chǔ)器尋址空間是4G。C6201片內(nèi)集成有1Mbit SRAM——512Kbit的程序存儲(chǔ)器（根據(jù)需要可全部配置成Cache）和512Kbit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。通過片內(nèi)的程序存儲(chǔ)空間控制器，CPU一次可以取出256bit，即一次最多可以取出8條32位指令。
　　C6201有32位的外部存儲(chǔ)接口EMIF為CPU訪問外圍設(shè)備提供了無縫接口。外圍設(shè)備可以是同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（SDRAM）、同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器（SBSRAM）、靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM），也可以是FIFO寄存器。
　　為了便于進(jìn)行多信道數(shù)字信號(hào)處理，TMS320C6000配備了多信道帶緩沖能力的串口McBSP。McBSP的功能非常強(qiáng)大，除具有一般DSP串口功能之外，還可以支持T1/E1、ST-BUS、IOM2、SPI、IIS等不同標(biāo)準(zhǔn)。McBSP最多支持128個(gè)信道;支持多種數(shù)據(jù)格式（8/12/16/20/24/32bit）的傳輸;可自動(dòng)進(jìn)行u律、A律壓擴(kuò)。其工作速率可達(dá)到1/2時(shí)鐘速率。
　　TMS32C6000提供的16位主機(jī)接口（HPI）使得主機(jī)設(shè)備可以直接訪問DPS的存儲(chǔ)空間。通過內(nèi)部或外部存儲(chǔ)空間，主機(jī)和DSP可以交換信息。主機(jī)也可以利用HPI直接訪問映射進(jìn)存儲(chǔ)空間的外圍設(shè)備。
　　DSP器件一般都帶有DMA控制器，可以在CPU操作的后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TMS320C6201的DMA控制器有4個(gè)獨(dú)立的可編程通道，可以同時(shí)進(jìn)行四個(gè)不同的DMA操作，每個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)可以通過編程設(shè)定。每個(gè)通道可以根據(jù)需要傳輸8/16/32bit的數(shù)據(jù)，并且DMA控制器可以訪問全部32位的地址空間。此外，還有一個(gè)輔助通道允許DMA控制器響應(yīng)主機(jī)通過HPI口發(fā)來的請(qǐng)求。
　　1.2 指令系統(tǒng)
　　C62xx和C67xx共享同一個(gè)指令集。C67xx可以使用所有的C62xx指令，但因?yàn)镃67xx是浮點(diǎn)芯片，怕以C67xx的指令集中有一些指令只能用于浮點(diǎn)運(yùn)算。TMS320C6201CPU的設(shè)計(jì)采用了類似于RISC的結(jié)構(gòu)，指令集簡單、運(yùn)算速度快。8個(gè)功能單元負(fù)責(zé)不同功能的運(yùn)算，指令和功能單元之間存在一個(gè)映射關(guān)系。其中，L單元有23條指令，M單元有20條指令，S單元29有條指令，D單元有26條指令。
　　TMS320C6201的大部分指令都可在單周期內(nèi)完成，都可以直接對(duì)8/16/32bit數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。同時(shí)，TMS320C6201指令集針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理算法提供了一引起特殊指令：為復(fù)雜計(jì)算提供的40bit的特殊操作的加法運(yùn)算;有效的溢出處理和歸一化處理;簡潔的位操作功能等。TMS320C6201中最多可以有8條指令同時(shí)并行執(zhí)行;所有指令均可條件執(zhí)行。以上所有特點(diǎn)提高了指令的執(zhí)行效率、減小了代碼長度、大大減少了因跳轉(zhuǎn)引起的開銷、提高了編碼效率。
　　流水線操作是DSP實(shí)現(xiàn)高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。TMS320C6000只有在流水線充分發(fā)揮作用的情況下，才能達(dá)到1600MIPS的速度。C6000的流水線分為三個(gè)階段：取指、解碼、執(zhí)行、總共11級(jí)。和以前的C3x、C54x相比，有非常大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：簡化了流水線的控制以消除流水線互鎖;增加流水線的深度以消除傳統(tǒng)流水線結(jié)構(gòu)在取指、數(shù)據(jù)訪問和乘法操作上的瓶頸。其中取指、數(shù)據(jù)訪問分為多個(gè)階段，使得C6000可以高速地訪問存儲(chǔ)空是。
　　2 優(yōu)化編程的幾個(gè)方法
　　使用TMS320C6000進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先的感覺是匯編指令集太小了。C6000在設(shè)計(jì)時(shí)采用了一種類RISC機(jī)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速率特別快，但是指令集卻非常簡單。象DSP算法中常用的乘加指令、循環(huán)操作指令等，在C54x和C3x中兩條指令就可以完成的功能，而在C6000中卻需要一個(gè)循環(huán)體，所以它的程序設(shè)計(jì)一般比較復(fù)雜。要想充分發(fā)揮C6000的運(yùn)算能力，必須從它的硬件結(jié)構(gòu)出去，最大限度地利用八個(gè)功能單元，使用軟件流水線，盡量讓程序無沖突的并行執(zhí)行。
　　并行處理的長處在于，在處理彼此之間沒有承接關(guān)系的運(yùn)算時(shí)，在CPU資源允許的情況下可以并行完成。但對(duì)于前后有承接關(guān)系或者判斷、跳轉(zhuǎn)頻繁的情況，就無法發(fā)揮并行的優(yōu)勢。一般循環(huán)體都滿足并行處理的條件，并且循環(huán)體往往是程序中耗時(shí)最長的地方。因此進(jìn)行C6000應(yīng)用開發(fā)時(shí)應(yīng)將優(yōu)化重點(diǎn)放在循環(huán)體上。為了降低開發(fā)難度，C6000提供了很多在高級(jí)語言（如ANSI C）一級(jí)對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化的方法。在應(yīng)用滿足實(shí)時(shí)性處理要求時(shí)，應(yīng)盡量采有這種方法。但是這種方法的效率比較低，C語言優(yōu)化最好的例子是點(diǎn)乘，這種循環(huán)使用C語言進(jìn)行優(yōu)化可以百分之百地的利用CPU資源，程序的并行性達(dá)到最好。但是我們在做20點(diǎn)的點(diǎn)乘時(shí)發(fā)現(xiàn)它耗時(shí)是匯編語言程序的3倍。所以如果系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，就不能使用這種優(yōu)化方法了。
　　這時(shí)可以考慮使用線性匯編語言進(jìn)行開發(fā)。線性匯編語言是TMS320C6000中獨(dú)有的一種編程語言，介于高級(jí)語言和低級(jí)語言之間。因?yàn)樵谟檬謱憛R編語言進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時(shí)，開發(fā)者除了要精通C6000的指令系統(tǒng)之外，還必須為指令分配功能單元、考慮指令的延這和功能單元之間的配合以及合理分配使用32個(gè)寄存器，才能寫出高效的并行指令，發(fā)揮C6000的威力。上面任何一個(gè)方面出現(xiàn)問題，都會(huì)嚴(yán)重影響算法的效率。
　　線性匯編語言的指令系統(tǒng)和匯編語言的指令系統(tǒng)完全相同，但是它有自己的匯編優(yōu)化器指令系統(tǒng)，用于和匯編性匯編語言時(shí)不需要考慮指令的延時(shí)、寄存器的使用和功能單元的分配，完全可以按照高級(jí)語言的方式進(jìn)行編寫。當(dāng)然由于它不是高級(jí)語言，有許多編程的限制。例如，在優(yōu)化循環(huán)體時(shí)，不能使用跳轉(zhuǎn)到循環(huán)體之外的跳轉(zhuǎn)指令;另外計(jì)數(shù)順只能使用減計(jì)數(shù)，如果使用加計(jì)數(shù)，優(yōu)化器將不能工作等等。但總的說來，它的代碼效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高級(jí)語言，而且開發(fā)難度和開發(fā)周期比匯編語言要小得多。
　　在實(shí)際開發(fā)過程中需要具體情況具體分析，選擇一種高效、快捷的開發(fā)方法。以下結(jié)合應(yīng)用開發(fā)中的幾個(gè)模塊來簡述我們使用的優(yōu)化方法。