數(shù)字信號(hào)處理器的匯編程序優(yōu)化方案

雖然目前大多數(shù)DSP都支持C語(yǔ)言縞程,但是在實(shí)際工程應(yīng)用中,多是用C語(yǔ)言編寫(xiě)流程控制,搭建工程框架,具體的算法模塊以及比較耗時(shí)的功能模塊還是采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。因?yàn)橛脜R編語(yǔ)言進(jìn)行編程可以利用電路自身硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與精簡(jiǎn),從而能夠使一些復(fù)雜的算法和功能模塊在實(shí)時(shí)性方面取得非常好的效果。文中從指令并行和軟件流水二方娉齜?。以ADI公司PSl01系列電路的程序?yàn)閷?shí)例,概括歸納出對(duì)DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的一般方法。

??? 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器;匯編優(yōu)化;指令并行;軟件流水

??? 1? 引言

??? 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)相對(duì)于模擬信號(hào)處理器有很大的優(yōu)越性,表現(xiàn)在精度高,靈活性大,可靠性好,易于大規(guī)模集成等方面。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn),數(shù)字信號(hào)處理器的功能越來(lái)越強(qiáng)大,對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又重新回到軟件算法上,而不再像過(guò)去那樣過(guò)多地考慮硬件的可實(shí)現(xiàn)性。隨著DSP運(yùn)算能力的不斷提高,能夠?qū)崟r(shí)處理的信號(hào)帶寬也大大增加,數(shù)字信號(hào)處理的研究重點(diǎn)也由最初的非實(shí)時(shí)性應(yīng)用轉(zhuǎn)向高速實(shí)時(shí)應(yīng)用。

??? 目前大多數(shù)DSP雖然都支持C語(yǔ)言編程,但是在實(shí)際工程應(yīng)用中,最常用的方法是用C語(yǔ)言編寫(xiě)流程控制。搭建工程框架,具體的算法模塊及比較耗時(shí)的功能模塊還是采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。這是因?yàn)镃語(yǔ)言雖然具有易讀性、可移植性等優(yōu)點(diǎn),但是它不便于對(duì)系統(tǒng)硬件資源的直接控制,無(wú)法發(fā)揮DSP自身的特點(diǎn),無(wú)法充分利用DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有限的資源。特別是在硬實(shí)時(shí)性系統(tǒng)中,用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程可利用DSP自身硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)匯編程序進(jìn)行優(yōu)化與精簡(jiǎn),往往能夠使一些復(fù)雜的算法和功能模塊在實(shí)時(shí)性方面取得非常好的效果。

??? 2? 匯編程序優(yōu)化

??? DSP的種類繁多．各類DSP都有其自身的硬件特點(diǎn),而對(duì)DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程就是根據(jù)程序自身特點(diǎn)充分利用DSP硬件資源的過(guò)程。因此,具體到不同的器件．其優(yōu)化方式也不盡相同。目前比較流行的大多數(shù)DSF,都支持程序并行和軟件流水,本文從這二方面出發(fā),概括歸納出對(duì)匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的一般方法。希望能夠在對(duì)不同DSP匯編程序優(yōu)化的過(guò)程中提供一些思考方式上的切人點(diǎn)。為了易于說(shuō)明,筆者提供了一些實(shí)例,這些例子均是用AD公司TSl01系列電路的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。

??? 2．1 加強(qiáng)程序并行

??? 程序的并行是匯編優(yōu)化的關(guān)鍵。但是,在開(kāi)始進(jìn)行任何優(yōu)化之前,必須了解從何處著手,首先了解瓶頸在何處。軟件的某些部分可能只執(zhí)行一次(初始化)或者只執(zhí)行少數(shù)幾次,費(fèi)盡心思優(yōu)化此部分代碼并非明智之舉,因?yàn)楂@得的整體節(jié)省效果是微乎其微。對(duì)程序的優(yōu)化應(yīng)將主要力量集中在最為費(fèi)時(shí)的部分。

??? (1) 循環(huán)展開(kāi)達(dá)到并行

??? 通過(guò)對(duì)大量DSP程序的研究．可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)程序比較耗時(shí)的部分往往是在1個(gè)或幾個(gè)大的循環(huán)中。這些循環(huán)部分又往往可分為取數(shù)、處理、儲(chǔ)存處理結(jié)果3個(gè)順序執(zhí)行的步驟,這3個(gè)步驟有明顯的時(shí)間先后關(guān)系．只有取了數(shù)才能處理。處理后才能存儲(chǔ)結(jié)果,這種時(shí)間上的相互依賴性為程序的并行帶來(lái)了非常大的困難。

??? 循環(huán)展開(kāi)是最常用的一種優(yōu)化技巧。1次循環(huán)處理過(guò)程中的各語(yǔ)句是具有很強(qiáng)的時(shí)間先后順序的,但是在連續(xù)2次循環(huán)過(guò)程中的各種語(yǔ)句卻是相互獨(dú)立的,它們是以相同的語(yǔ)句處理不同的數(shù)據(jù)。因此可以采用將循環(huán)次數(shù)減半,每2次(也可以是3次、4次等,應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)確定,同時(shí)循環(huán)次數(shù)要做相應(yīng)改變)循環(huán)合并為1次循環(huán)過(guò)程的方法來(lái)使程序并行,提高效率。

??? 例1是一段對(duì)圖像進(jìn)行二值化的代碼的主要部分．是一段2次的循環(huán),并未經(jīng)過(guò)優(yōu)化;實(shí)例2是將其循環(huán)展開(kāi),2次循環(huán)過(guò)程合并為1次循環(huán)的代碼段(這里假設(shè)其每行像素個(gè)數(shù)為偶數(shù),如果不為偶數(shù)只需在內(nèi)循環(huán)外額外處理一個(gè)像素即可);實(shí)例3是循環(huán)展開(kāi)并進(jìn)行優(yōu)化精簡(jiǎn)后的代碼段。這3段代碼均用TSl01的匯編語(yǔ)言編寫(xiě),其中j4指向待處理的圖像;i5指向處理后的圖像;xrO、xrl分別為圖像行、列個(gè)數(shù);xr2為二值化的閾值,像素灰度值大于或等于該值的使其等于該值,而像素灰度值小于該值的設(shè)為零。

??? 實(shí)例1：
??? lcO=xr0;;
??? _Picture_Segment_Outter_Loop：
??? lcl=xrl：：
??? _Picture_Segment_Inner_Loop：
??? /*取圖像各像素點(diǎn)*／
??? xr3=[j4+=l];;
??? /*像素灰度值與閾值比較,大于或等于閾值的
??? 令其等于閾值,小于閩值的置為零*／
??? xcomp(r3,r2);;
??? tf xalt;d0,xr3：0;;
??? if nxalt;d0,xr3=xr2;;
??? /*存儲(chǔ)處理結(jié)果生成新圖像*／
??? [j5+=1]=xr3;;
??? *內(nèi)循環(huán)結(jié)束*/
??? _Picture__Segment_Inner_Lcop_End：
??? if nlcle,jump_Picture_Segment_Inner_Loop(p);;
??? /*外循環(huán)結(jié)束*/
??? _Picture_Segment_Outter_L,cop_End：
??? if nlcOe,jump_Picture_Segment_Outter_Loop(p);;

??? 實(shí)例2：
??? lcO=xrO;;
??? /*將循環(huán)數(shù)減半*/
??? xrl=lshift r0 by—l;;
??? _Picture Segment_Outter_Loop：
??? 1cl=xrl：：
??? _Picture Segment Inner Loop：
??? /*取圖像各像素點(diǎn)*/
??? xr3=[j4+=1];;
??? /*像素灰度值與闞值比較,大于或等于閾
??? 值的令其等于閾值．小于閾值的置為零*/
??? xcomp(r3,r2);;
??? if xah;do,xr3=0;;
??? if nxah;do,xr3=xr2;;
??? / *存儲(chǔ)處理結(jié)果生成新圖像*/
??? [j5+=l]=xr3;;
??? /*循環(huán)擴(kuò)展部分*／
??? xr4=[j4+：1];;
??? xeomp(r4,r2);;
??? if xah;do,xr4=0;;
??? ifnxah;do,xr4=xr2;;
??? [j5+=1]=xr4;;
??? 內(nèi)循環(huán)結(jié)束*／
??? _Pieture_Segment_Inner_Loop_End：
??? if nlele,jump_Picture_Segment Inner Loop(p);;
??? 外循環(huán)結(jié)束*/
??? _Picture_segment_Outter_Loop_End：
??? if nleoe,jump_Pieture_Segment_Outter_Loop(p);;

??? 實(shí)例3：
??? lcO=xr0;;
??? xrl=lshifi r0 by一1;;_
??? _Picture_Segment_Outter_Loop：
??? lcl=xrl;;
??? _Picture_Segment_Inner_Loop：
??? xr3=[j4+=l];;
??? xeomp(r3,r2);xr4=[j4+=1];;(1)
??? ifxalt;do,xr3=0;;
??? if nxalt;do,xr3=xr2;;
??? [j5+=l]=xr3;xcomp(r4,r2);;(2)
??? /*循環(huán)擴(kuò)展部分*／
??? if xalt;do,xr4：0;;
??? ifnxah;do,xr4=xr2;;
??? [j5+=1]=xr4;;
??? _Picture_Segment_Inner_Loop_End：
??? if nlele,jump_Pieture_Segmem Inner Loop(p);;
??? _Picture segment_Outter_Loop_End：
??? if nleoe,jump_Picture_Segment_Outter_Loop(p);;

??? 如實(shí)例3中的(1)、(2)所示,下一循環(huán)的取數(shù)和與閾值比較語(yǔ)句同上一循環(huán)中的指令達(dá)到了并行。分別運(yùn)行實(shí)例1與實(shí)例3并計(jì)算其每個(gè)像素所花費(fèi)的時(shí)間,可知實(shí)例1中平均每個(gè)像素花費(fèi)7．12個(gè)時(shí)鐘周期,而實(shí)例3中平均每個(gè)像素花費(fèi)5．12個(gè)時(shí)鐘周期,比優(yōu)化前少用了差不多2個(gè)時(shí)鐘周期。

??? (2)提前取數(shù)達(dá)到并行

??? 在循環(huán)外提前取數(shù),徹底打破循環(huán)中各指令間時(shí)間的先后順序,增強(qiáng)其獨(dú)立性并最終達(dá)到并行的目的,這也是一種常用的方法。實(shí)例4利用此種方法,在實(shí)例3的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)例1的代碼段做了進(jìn)一步的優(yōu)化與精簡(jiǎn)。

??? 如實(shí)例4中所示,(1)在循環(huán)外提前進(jìn)行了取數(shù),并在(2)達(dá)到了并行,(3)、(4)對(duì)由于提前取數(shù)造成的指針移位和額外的賦值進(jìn)行了修正。但是,在使用此方法進(jìn)行精簡(jiǎn)優(yōu)化時(shí)要特別注意循環(huán)結(jié)束后對(duì)指針的修正。經(jīng)計(jì)算。實(shí)例4平均每個(gè)像素所花費(fèi)的時(shí)間為4．18個(gè)指令周期。

??? 實(shí)例4：
??? lcO=xrO：：
??? xrl=lshifi rO by-1;;
??? _Picture_Segment_Outter_Loop：
??? lcl=xrl：：
??? xr3=[j4=1];; (1)
??? _Picture_Segment_Inner_Loop：
??? xcomp(r3,r2);xr4=[j4+=1];;
??? if xah;do,xr3=0;;
??? ifnxalt;do,xr3=xr2;;
??? [j5+=1]=xr3;xcomp(r4,r2);;
??? /*循環(huán)擴(kuò)展部分*/
??? if xah;do,xr4=0;xr3=[j4+=1];;(2)
??? if nxah;do．xr4=xr2;;
??? [j5+=1]=xr4;;
??? _Picture_Segment_Inner_Loop_End：
??? if nlelejump_Pieture_Segment_Inner_Loop(p);;
??? j4=j4一l;; (3)
??? xr3=0;; (4)
?? _Pictnre_Segment_Outter_Loop_End：
??? if nleoe,jump_Pieture_Segment_0utter_Loop(p);;

??? (3)改換語(yǔ)句達(dá)到并行

??? 有時(shí),不同的語(yǔ)句利用不同的硬件資源可以得到相同的結(jié)果。換一條語(yǔ)句執(zhí)行．改變?cè)Z(yǔ)句所用硬件資源。往往也能夠增加程序的并行程度。例如DSP中往往提供獨(dú)立的加法、乘法運(yùn)算單元,同樣一條賦值語(yǔ)句可以用加0或者乘l代替,這樣就可以將原來(lái)不能并行的從內(nèi)存中取數(shù)語(yǔ)句和對(duì)寄存器賦值語(yǔ)句(這兩條語(yǔ)句都要到總線資源)并行起來(lái)。這在許多參考資料中都可以見(jiàn)到。在此不再列舉具體實(shí)例。

??? (4)增加取數(shù)個(gè)數(shù)達(dá)到并行

??? 某些DSP還支持聯(lián)合取數(shù)的功能,其寄存器可能是32位．但是卻支持64位數(shù)據(jù)的存取,即一條語(yǔ)句可完成二組數(shù)據(jù)的存取。而對(duì)這兩組數(shù)據(jù)的處理卻是相互獨(dú)立、可以并行的,利用這一功能來(lái)達(dá)到優(yōu)化,也不失為一種好方法。

??? 2．2 利用軟件流水

??? 流水技術(shù)是提高DSP程序執(zhí)行效率的另一種主要手段。它可以使若干條指令的不同執(zhí)行階段并行處理。有時(shí)由于相鄰的幾個(gè)指令行有可能使用相同的資源,其間又可能有相關(guān)性,從而使DSP在執(zhí)行時(shí)自動(dòng)插人延遲,使DSP的運(yùn)行速度比預(yù)期的慢：有時(shí)又可能由于指令本身的原因造成延時(shí)(例如跳轉(zhuǎn)指令),使得DSP的效率降低。由于流水技術(shù)本身的復(fù)雜性以及DSP硬件結(jié)構(gòu)的多樣性,這里不再討論造成這種延遲的種種原因(事實(shí)上各個(gè)DSIC的使用手冊(cè)中均有詳細(xì)的說(shuō)明),只是想告訴讀者其實(shí)有時(shí)候只需要移動(dòng)幾條指令的位置就可以達(dá)到優(yōu)化的目的。在這里仍繼續(xù)采用實(shí)例1的代碼段作為例子(TI公司C6000系列電路的編程更適合此例,只是其匯編指令太復(fù)雜)。

??? 如實(shí)例5(1)所示,它將例3中并行的語(yǔ)句重新分開(kāi),變?yōu)槎l語(yǔ)句執(zhí)行。計(jì)算其效率可以發(fā)現(xiàn)平均每個(gè)像素仍然花費(fèi)5．12個(gè)指令周期,與將其并行的效率相同。這是因?yàn)槿?shù)與比較這二條指令共用了同一寄存器資源xr3,造成這二條語(yǔ)句間插入一個(gè)指令周期的延遲,而把語(yǔ)句插入到這兩條指令之間,恰恰利用了這一延遲,達(dá)到了優(yōu)化的效果。

??? 實(shí)例5：
??? lc0=xr0;;
??? xrl=lshift r0 by一1;;
??? _Picture_Segment_Outter_Imp：
??? lcl=xrl：：
??? _Picture__Segment_lnnell_Loop：
??? xr3=[j4+=l];;
??? xr4=[j4+=1];; (1)
??? xcomp(r3,r2);;
??? if xalt; d0,xr3=0;;
??? if nxalt;d0,xr3=xr2;;
??? [j5+=1]=xr3;xcomp(r4,r2);;
??? if xalt; d0,xr4=0;;
??? if nxalt;d0,xr4：xr2;;
??? [j5+=1]=xr4;;
??? _Picture_Segment_Innerl_Loop_End：
??? if nlcle,jump_Picture_Segment_Inner_Loop(p);;
??? _Picture_Segment_Outter_Loop_End：
??? if nlcoe~jump_Picture_Segment_Outter_Loop(p);;

??? 對(duì)匯編程序進(jìn)行優(yōu)化,應(yīng)綜合上面提到的各種方法。首先使循環(huán)內(nèi)各語(yǔ)句在時(shí)間關(guān)系上盡量相互獨(dú)立．然后利用種種技巧最大限度地使語(yǔ)句并行;最后再考慮軟件流水造成的延時(shí),調(diào)整各條語(yǔ)句的位置．盡量減少延時(shí)。

??? 3? 結(jié)束語(yǔ)

??? 對(duì)特定DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程就是對(duì)其芯片結(jié)構(gòu)充分熟悉利用的過(guò)程,程序優(yōu)化與精簡(jiǎn)的程度正比于對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的熟悉程度。這是一個(gè)不斷深入、永無(wú)止境的過(guò)程。但是還應(yīng)看到,在程序達(dá)到高效的同時(shí),犧牲的是程序應(yīng)有的可讀性。在軟件高度產(chǎn)業(yè)化的今天,程序的可讀性有時(shí)甚至比其高效性更為重要。因此如何在程序達(dá)到高效的同時(shí)盡量保證其可讀性也是在對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應(yīng)著重考慮的問(wèn)題。