TMS320C64x系列 DSP的软件优化技术

葛 珊，徐书文

(中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015)

数字信号处理器(DSP)的应用起始于20世纪80年代，主要应用于无线通信、一维信号处理(FFT运算)、二维信号处理(图像处理)等数据运算量大的系统设备中。主频从10 MHz发展到目前1 GHz以上，片内RAM容量从几百字节，发展到上百兆字节，外设功能也从简单的数据读取扩展到控制、通信于一体的数字信号处理器。C6000系列产品是TI公司继C5000系列产品之后推出的速度更高、功能更强大的产品。基于其特殊的硬件、软件结构，已被广泛应用于雷达信号处理、图像处理、工业控制、航空航天等领域。

TMS320C64x系列DSP芯片是TI公司C6000系列产品中的一种，该系列芯片为定点DSP芯片，主频为600 MHz～1 GHz，但其外设工作频率最高为133 MHz，通过研究发现，必须在外设数据采集及软件编程设计方面进行优化设计，才能大幅度提高算法的运算速度，发挥芯片主频提高的真正潜能。该芯片具有很高的操作灵活性和速度，同时如何充分利用它的硬件结构及资源，发挥它的高速处理能力，是软件设计人员首要考虑的问题。软件优化技术对实现系统的开发具有重要意义［1－4］。

1 优化设计

1.1 开发系统配置

CCS 2.0(C6000)是TI推出的专门开发C6000系列DSP的集成开发环境。CCS集成了工程管理工具、代码编辑器、代码产生工具、代码调试工具等。编译器的设置，是软件优化的先决条件，在程序代码编译前，需要在工程文件的Build Options控制编译器选项中选择－o2/－o3选项，这样可以使编译器最大限度地进行分析和优化。

1.2 C代码的优化方法

为了使C代码获得最好的性能，编写时应遵循下述规则:

1)对于定点乘法输入应尽可能使用short型数据，该数据类型可以有效利用C64x的16位乘法器;

2)对循环计数器使用int或unsigned int类型，避免不必要的符号扩展指令;

3)使用restrict关键字限定一个指针、引用或数组;

4)使用内联函数可以快速优化C代码，其使用方法与调用函数一样。

1.3 线性汇编代码优化方法

编写高效的汇编代码应遵循下述规则:

1)使用并行的汇编代码，充分利用某些指令的延时间隙，执行代码;

2)使用打包数据处理，充分利用C64x宽的存储空间通路，用字或者双字的读取和存储操作数来进行字或者半字数据访问;

3)合并多操作为单个操作指令，C64x提供了许多能将一些一般操作结合在一起的指令，这些指令能减少代码中的指令数，减少代码长度，利于简化编程。

1.4 交叉汇编代码使用

由于C语言灵活性强、便于阅读，在编写程序代码时，可以用C语言编写代码的主体框架，将代码中耗时最长的部分抽取出来，用并行汇编代码编写，这样可以大幅提高代码的执行速度。

1.5 软件流水方法

软件流水就是编排循环指令，使循环的多次迭代能够并行执行。软件流水应从4个方面进行考虑，分别是循环次数、冗余循环、循环展开和推测执行。

1)循环计数

最有效的软件流水的循环是按递减计数形式对循环进行计数。可以选择编译器的－o2或－o3选项优化循环。

2)消除冗余循环

冗余循环的存在使代码尺寸增加，也对代码性能有影响。因此，运用编译器的－mh或－mhn选项可以减少冗余循环，提高编译器完成优化的能力。

3)循环展开

当单次迭代操作没有充分利用C64x结构的所有资源时，可使用循环展开提高性能。有3种循环展开的方法:(1)编译器自动执行循环展开;(2)在程序中使用UNROLL伪指令建议编译器做循环展开;(3)用户自己在代码中展开。

4)推测执行

运用编译器的－mh选项有助于编译器消除软件流水的填充和排空，间接地减轻寄存器压力，可以获得更简洁的代码和更佳的性能。

2 优化设计中注意的问题及解决方法

2.1 软件流水限制条件

在以下3种情况中，不能进行软件流水:

1)如果一个寄存器值存在的时间过长，这个代码不能进行软件流水;

2)如果循环体内有复杂的条件代码，对于C64x超过6个条件寄存器时，这个循环不可以进行软流水;

3)一个有条件增大的循环控制变量的循环不能进行软件流水。

2.2 避免交叉通路阻塞

避免交叉通路阻塞的方法有2种:

1)通过安排指令，当操作数被更新至少一个周期以后再进行交叉通路操作数读取操作，交叉通路阻塞可以避免;

2)适当的编排，C64x能够在每个时钟周期、每个数据交叉通路进行一次源操作数读取操作，可以避免交叉通路阻塞。

3 仿真验证

以计算两个16×16像素图像的灰度绝对差为例，分析程序优化前后的运算耗时情况。两个16×16像素图像的灰度绝对差公式为

式中:R(u，v)，S(u，v)分别表示16×16像素的图像矩阵，每个像素为8 bit数据。优化前，每次加载一个8 bit数据处理，测试代码运行时间后，发现速度提高不明显，因此，需要对代码进行改进。选用3种不同的打包数据处理方式对代码进行优化:

1)方法1，用1条16 bit数据加载指令(LDHU，2LDB)实现一次加载2个8 bit(字)数据处理。

2)方法2，用1条32 bit数据加载指令(LDW，LDNW)实现一次加载4个8 bit(双字)数据处理，并且运用一组DOTPU4，SUBABS4指令进行运算。

3)方法3，用1条64 bit数据加载指令(LDDW，LDNDW)实现一次加载8个8 bit(4个字)数据处理，并且运用两组并行的DOTPU4，SUBABS4指令进行运算，同时使用并行的汇编代码，充分利用某些指令的延时间隙，执行代码。

优化前后运算时间对比见表1。

表1 代码优化前后比较

从表1中可以看到，软件优化设计主要是通过利用数据并行加载、寄存器流水并行处理、减少循环次数的方法，可以大大减少运算时间，提高运行速度。

4 结论

在TMS320C64x系列DSP芯片应用中，大部分每秒百万次指令运算发生在紧凑的循环中，所以对于C64x代码产生工具来说，在重要的循环中充分利用片内的硬件资源，在软件流水中，利用VelociTI结构的多样资源，可以大大提高代码的效率。因此，本文介绍的基于C64x系列DSP的软件优化方法，为高速实时系统设计提供了一种很好的解决方法。

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［1］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000优化编译器用户手册［M］.田黎育，译.北京:清华大学出版社，2005.

［2］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000程序员手册［M］.朱梦宇，译.北京:清华大学出版社，2005.

［3］Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000汇编语言工具用户手册［M］.何佩琨，译.北京:清华大学出版社，2005.

［3］覃团发，泰德兴，刘远毅，等.基于TMS320C6416的宽带语音G.722.2声码器的实时实现［J］.电声技术，2006，30(1):48－51