數字信號處理器的匯編程序優(yōu)化方案

摘 要：雖然目前大多數DSP都支持C語(yǔ)言縞程，但是在實(shí)際工程應用中，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)。因為用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程可以利用電路自身硬件結構的特點(diǎn)對其進(jìn)行優(yōu)化與精簡(jiǎn)，從而能夠使一些復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面出發(fā)。以ADI公司PSl01系列電路的程序為實(shí)例，概括歸納出對DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的一般方法。
關(guān)鍵詞：數字信號處理器；匯編優(yōu)化；指令并行；軟件流水

1 引言
數字信號處理器(DSP)相對于模擬信號處理器有很大的優(yōu)越性，表現在精度高，靈活性大，可靠性好，易于大規模集成等方面。隨著(zhù)半導體制造工藝的發(fā)展和計算機體系結構的改進(jìn)，數字信號處理器的功能越來(lái)越強大，對信號處理系統的研究重點(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)現性。隨著(zhù)DSP運算能力的不斷提高，能夠實(shí)時(shí)處理的信號帶寬也大大增加，數字信號處理的研究重點(diǎn)也由最初的非實(shí)時(shí)性應用轉向高速實(shí)時(shí)應用。

目前大多數DSP雖然都支持C語(yǔ)言編程，但是在實(shí)際工程應用中，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)。這是因為C語(yǔ)言雖然具有易讀性、可移植性等優(yōu)點(diǎn)，但是它不便于對系統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系統結構中有限的資源。特別是在硬實(shí)時(shí)性系統中，用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程可利用DSP自身硬件結構的特點(diǎn)對匯編程序進(jìn)行優(yōu)化與精簡(jiǎn)，往往能夠使一些復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(lèi)繁多．各類(lèi)DSP都有其自身的硬件特點(diǎn)，而對DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程就是根據程序自身特點(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),概括歸納出對匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的一般方法。希望能夠在對不同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(zhù)手，首先了解瓶頸在何處。軟件的某些部分可能只執行一次(初始化)或者只執行少數幾次，費盡心思優(yōu)化此部分代碼并非明智之舉，因為獲得的整體節省效果是微乎其微。對程序的優(yōu)化應將主要力量集中在最為費時(shí)的部分。

(1) 循環(huán)展開(kāi)達到并行
通過(guò)對大量DSP程序的研究．可以發(fā)現整個(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、處理、儲存處理結果3個(gè)順序執行的步驟，這3個(gè)步驟有明顯的時(shí)間先后關(guān)系．只有取了數才能處理。處理后才能存儲結果,這種時(shí)間上的相互依賴(lài)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)句是具有很強的時(shí)間先后順序的,但是在連續2次循環(huán)過(guò)程中的各種語(yǔ)句卻是相互獨立的,它們是以相同的語(yǔ)句處理不同的數據。因此可以采用將循環(huán)次數減半,每2次(也可以是3次、4次等,應根據具體情況來(lái)確定，同時(shí)循環(huán)次數要做相應改變)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(這里假設其每行像素個(gè)數為偶數，如果不為偶數只需在內循環(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；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；；
/*存儲處理結果生成新圖像*／
[j5+=1]=xr3；；
*內循環(huán)結束*/
_Picture__Segment_Inner_Lcop_End：
if nlcle，jump_Picture_Segment_Inner_Loop(p)；；
/*外循環(huán)結束*/
_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；；
/*存儲處理結果生成新圖像*/
[j5+=l]=xr3；；
/*循環(huán)擴展部分*／
xr4=[j4+：1]；；
xeomp(r4，r2)；；
if xah；do，xr4=0；；
ifnxah；do，xr4=xr2；；
[j5+=1]=xr4；；
內循環(huán)結束*／
_Pieture_Segment_Inner_Loop_End：
if nlele，jump_Picture_Segment Inner Loop(p)；；
外循環(huán)結束*/
_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)的取數和與閾值比較語(yǔ)句同上一循環(huán)中的指令達到了并行。分別運行實(shí)例1與實(shí)例3并計算其每個(gè)像素所花費的時(shí)間,可知實(shí)例1中平均每個(gè)像素花費7．12個(gè)時(shí)鐘周期,而實(shí)例3中平均每個(gè)像素花費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)提前取數達到并行
在循環(huán)外提前取數,徹底打破循環(huán)中各指令間時(shí)間的先后順序,增強其獨立性并最終達到并行的目的,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的基礎上對實(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，并在(2)達到了并行，(3)、(4)對由于提前取數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)結束后對指針的修正。經(jīng)計算。實(shí)例4平均每個(gè)像素所花費的時(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果。換一條語(yǔ)句執行．改變原語(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中往往提供獨立的加法、乘法運算單元，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)不能并行的從內存中取數語(yǔ)句和對寄存器賦值語(yǔ)句(這兩條語(yǔ)句都要到總線(xiàn)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)增加取數個(gè)數達到并行
某些DSP還支持聯(lián)合取數的功能，其寄存器可能是32位．但是卻支持64位數據的存取，即一條語(yǔ)句可完成二組數據的存取。而對這兩組數據的處理卻是相互獨立、可以并行的，利用這一功能來(lái)達到優(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程序執行效率的另一種主要手段。它可以使若干條指令的不同執行階段并行處理。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在執行時(shí)自動(dòng)插人延遲，使DSP的運行速度比預期的慢：有時(shí)又可能由于指令本身的原因造成延時(shí)(例如跳轉指令),使得DSP的效率降低。由于流水技術(shù)本身的復雜性以及DSP硬件結構的多樣性，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的使用手冊中均有詳細的說(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到優(yōu)化的目的。在這里仍繼續采用實(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)句執行。計算其效率可以發(fā)現平均每個(gè)像素仍然花費5．12個(gè)指令周期，與將其并行的效率相同。這是因為取數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)；；

對匯編程序進(jìn)行優(yōu)化，應綜合上面提到的各種方法。首先使循環(huán)內各語(yǔ)句在時(shí)間關(guān)系上盡量相互獨立．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)，調整各條語(yǔ)句的位置．盡量減少延時(shí)。

3 結束語(yǔ)
對特定DSP匯編程序進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程就是對其芯片結構充分熟悉利用的過(guò)程，程序優(yōu)化與精簡(jiǎn)的程度正比于對芯片結構的熟悉程度。這是一個(gè)不斷深入、永無(wú)止境的過(guò)程。但是還應看到，在程序達到高效的同時(shí),犧牲的是程序應有的可讀性。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。因此如何在程序達到高效的同時(shí)盡量保證其可讀性也是在對程序進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應著(zhù)重考慮的問(wèn)題。