優(yōu)化DSP應(yīng)用的技術(shù)

數(shù)字信號處理 (DSP） 是處理信號和數(shù)據(jù)的專用方法，其目的在于加強(qiáng)并修改這些信號。數(shù)字信號處理也用于分析信號以確定特定的信息內(nèi)容。DSP主要用于處理真實(shí)世界的信號。這些信號可由數(shù)字序列進(jìn)行轉(zhuǎn)化和表示。我們后來使用數(shù)學(xué)方法處理信號，從信號中提取特定信息或以某種方式轉(zhuǎn)化信號。

DSP在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中非常普遍，在這種系統(tǒng)中，計(jì)算的及時(shí)性與準(zhǔn)確性同樣重要。DSP 在這些環(huán)境中非常普遍，因?yàn)槠涓鶕?jù)設(shè)計(jì)，能夠非常迅速地執(zhí)行常見的信號處理操作。DSP 的可編程性允許應(yīng)用隨著時(shí)間的推移而不斷變化發(fā)展，從而為應(yīng)用供應(yīng)商提供了眾多優(yōu)勢。進(jìn)行 DSP 編程需要熟悉應(yīng)用、DSP 硬件架構(gòu)以及用于編寫高效實(shí)時(shí)軟件、并能滿足系統(tǒng)最終期限的代碼生成工具。

本文是兩篇文章中的第一篇，將探討 DSP 某些重要的軟件與系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，并將解釋采用強(qiáng)大處理器開發(fā)高效嵌入式應(yīng)用的某些指導(dǎo)原則。

優(yōu)化的第一條規(guī)則--不要！

在開始任何優(yōu)化工作之前，您必須了解自己的方向。從性能角度講，所有軟件都是不同的！您必須首先理解瓶頸在哪里。一旦您已經(jīng)對應(yīng)用進(jìn)行了描述，那么接下來就可以開始調(diào)整代碼。描述應(yīng)用是指衡量代碼每部分所需的時(shí)間（或所用的存儲器空間或功耗）。軟件的某些部分僅執(zhí)行一次（如初始化）或有限的次數(shù)?；ê芏鄷r(shí)間優(yōu)化這部分代碼是不明智的，因?yàn)檫@樣做所得的總體節(jié)約是相對有限的。很可能的情況是，軟件的某些部分會(huì)執(zhí)行許多次，盡管代碼本身很短，但執(zhí)行代碼的事實(shí)常常說明代碼的整體周期需時(shí)不菲。如果您能夠從這部分代碼中節(jié)約哪怕一兩個(gè)周期，那么所得到的節(jié)約也會(huì)相當(dāng)顯著。在調(diào)整并優(yōu)化進(jìn)程時(shí)，這就是您應(yīng)當(dāng)花時(shí)間開展工作的地方。

存儲器的依賴性

處理器在存儲器中存儲指令和數(shù)據(jù)。盡管人們已經(jīng)創(chuàng)建了許多具有創(chuàng)新性的方法以從存儲器中獲取指令和數(shù)據(jù)，但訪問指令和數(shù)據(jù)時(shí)總會(huì)有性能損失。這就是純粹的開銷了。只要能夠減少等待指令或數(shù)據(jù)存取的時(shí)間，不管怎么樣，都能夠改善應(yīng)用的整體性能。舉例而言，硬件高速緩沖系統(tǒng)將會(huì)盡可能多的指令靠近 CPU，從而實(shí)現(xiàn)快速存取，通常只需一個(gè)周期即可，業(yè)經(jīng)驗(yàn)證這能夠改善整體性能。DSP 擁有片上存儲器，其可存儲數(shù)據(jù)與指令。但數(shù)據(jù)和指令不能自動(dòng)放置于片上存儲器中。編程員必須對此進(jìn)行管理，只要管理有效，DSP 就可以利用片上存儲器顯著提高性能。

嵌入式系統(tǒng)存儲器等級中有若干層次（見圖1）。第一層是芯片寄存器。這部分存儲器用于保存臨時(shí)和中間數(shù)據(jù)。編譯器在調(diào)度指令時(shí)使用寄存器。該存儲器是速度最快、價(jià)格最昂貴的（器件上的寄存器越多，器件體積就越大，這意味著硅晶片上的器件減少，也就是說用更多的硅芯片獲得相同數(shù)量的器件，您應(yīng)該明白我的意思吧）。存儲器的下一層是高速緩沖系統(tǒng)。它也是即快速又昂貴，用于將指令和數(shù)據(jù)在使用指令和/或數(shù)據(jù)前移至靠近 CPU 處。存儲器的再下一層是"外部"或"片外"存儲器。該存儲器會(huì)比其他存儲器類型的速度慢,而且價(jià)格也較便宜。這一般是不使用（存儲期限較長）數(shù)據(jù)和指令時(shí)保存的地方。從該存儲器存取信息包括更多的信號交換和控制，因此也需要更多時(shí)間。實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)計(jì)人員的主要目的是使您將用到的任何東西盡可能靠近 CPU。這意味著需要從外部存儲器獲取信息，使其進(jìn)入速度更快的存儲器，并使用諸如直接存儲器存?。?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DMA">DMA）等技術(shù)，以及編譯或架構(gòu)技術(shù)。

為了增強(qiáng)采用流水線操作概念的處理器性能，我們使用了硬件架構(gòu)技術(shù)。流水線處理器的原則與汽車裝配線沒什么兩樣。每輛汽車都通過裝配線被一步步組裝起來。許多輛車同時(shí)在裝配線上，每輛車位于裝配過程的不同環(huán)節(jié)。在裝配線末端會(huì)出現(xiàn)一輛新車，緊接著還有另一輛新車跟進(jìn)，以此類推。人們早就發(fā)現(xiàn)，在前一輛車完成之前即開始下一輛新車的裝配工作，這種做法的成本效益要高得多。在流水線處理器中，情況也是如此。流水線處理器可在前一項(xiàng)任務(wù)完成前開始新任務(wù)。完成率就是傳入新指令的速率。如圖 2a 和 2b 所示，指令的完成時(shí)間沒有改變。但指令的完成率提高了。

為了進(jìn)一步改善性能，我們可以使用多個(gè)流水線。該方法稱作超標(biāo)量，其進(jìn)一步利用了平行的概念（見圖 2c）。如今某些高性能數(shù)字信號處理器（如 Intel i860）就有一個(gè)超標(biāo)量設(shè)計(jì)。

                                  圖2. 非流水線、流水線和超標(biāo)量執(zhí)行時(shí)間表


                                          
具備多個(gè)獨(dú)立執(zhí)行單元的 DSP 利用平行同時(shí)執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立指令，這將為性能改善提供立竿見影的效果。關(guān)鍵在于找到彼此獨(dú)立的"n"個(gè)不同指令。有時(shí)，我們通過硬件完成此工作，有時(shí)則通過軟件來完成（編譯）。超長指令字（VLIW）處理器（如 TI 的 C6200 DSP 系列產(chǎn)品）使用編譯技術(shù)可以在 8 個(gè)獨(dú)立的處理器執(zhí)行單元上調(diào)度最多 8 個(gè)彼此獨(dú)立的指令。指令間的數(shù)據(jù)依賴性常常將此限制在最高速率之下，但還是能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的性能。許多情況下，我們可以重新構(gòu)建算法，以利用架構(gòu)的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行單元的優(yōu)勢。 {{分頁}}

較之于流水線處理器而言，超標(biāo)量架構(gòu)可提供更多的并行處理能力。但是，如果算法或函數(shù)不能利用此并行功能的話，那么多余的管道將得不到使用，就會(huì)降低能夠?qū)崿F(xiàn)的并行量。編寫用作快速運(yùn)行于流水線處理器上的算法不一定能在超標(biāo)量處理器上同樣高效運(yùn)行。舉例而言，我們可以看看圖 4a 所示的算法。該算法的編寫利用了流水線處理器的優(yōu)勢。這是在串行處理器上計(jì)算多項(xiàng)式的常見方法，因?yàn)樗槐卦儆?jì)算 p**8, p**7 等。這節(jié)約了周期和存儲中間值的寄存器。

但就超標(biāo)量器件而言，這并不是計(jì)算表達(dá)式的最佳方法。算法中的括號限制了編譯器順序計(jì)算表達(dá)式的功能。這也使得并行功能無法發(fā)揮。如果我們將此表達(dá)式分解為幾個(gè)獨(dú)立的表達(dá)式，那么編譯器就可以在超標(biāo)量器件的并行管道上以任何方便的順序來安排這些獨(dú)立的表達(dá)式。這樣進(jìn)行的計(jì)算利用了較少的指令周期，而采用了更多的寄存器（如圖 4b 所示）。

上述實(shí)例說明了為什么編程人員必須了解器件架構(gòu)、編譯器以及算法，從而確定執(zhí)行任何特定函數(shù)的最快方法。我們將討論利用上述高性能設(shè)備加速函數(shù)計(jì)算的其他方法。

rp = (((((((R8*p + R7） * p + R6） * p + R5） * p + R4） * p + R3） * p + R2） * p + R1） * p

     圖 4a）

p2 = p * p
p3 = p * p * p
.
.
p8  = p * p * p * p * p * p * p * p
---------------------------------------------
R1p1 = R1 * p
R2p2 = R2 * p2
.
.
R8p8 = R8 * p8
----------------------------------------------
rp = 0.0F
rp += R1p1
.
.
rp += R8p8

             圖 4b）

圖4. a）、編寫可快速運(yùn)行于流水線處理器上的算法。B）、 相同算法經(jīng)修改后在超標(biāo)量處理器上快速運(yùn)行。

直接存儲器存取

直接存儲器存取 (DMA)是無 CPU介入情況下訪問存儲器的一種方式。外設(shè)用于向內(nèi)存直接寫入并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，這就減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān)。DMA 就是另一種類型的CPU，其唯一作用就是快速移動(dòng)數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢則在于 CPU 可以向 DMA 發(fā)出一些指令移動(dòng)數(shù)據(jù)，隨后就可以再進(jìn)行原本的工作。DMA 在 CPU 運(yùn)行的同時(shí)移動(dòng)數(shù)據(jù)（圖 5）。這實(shí)際就是另一種利用器件內(nèi)置并行功能的方法。DMA 在復(fù)制大量數(shù)據(jù)時(shí)非常有用。較小的數(shù)據(jù)塊無法受益，因?yàn)檫€要考慮到 DMA 的設(shè)置和開銷時(shí)間，反倒不如直接使用 CPU 合適。但如果明智使用的話，DMA 可以節(jié)約大量時(shí)間。

                          

                             圖 5. 使用 DMA 而非 CPU能夠顯著提升性能

由于訪問外部存儲器會(huì)帶來很大的性能損失，且占用 CPU 的代價(jià)不菲，因此只要有可能，就應(yīng)采用 DMA。最好是在實(shí)際需要數(shù)據(jù)之前就啟動(dòng) DMA 操作。這讓CPU 同時(shí)也有工作可做，且不用強(qiáng)制應(yīng)用等待數(shù)據(jù)的移動(dòng)。隨后，當(dāng)確實(shí)需要數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)就已經(jīng)就位了。應(yīng)用應(yīng)當(dāng)進(jìn)行檢查，以確認(rèn)操作成功，這將要求檢查寄存器。如果操作提前完成，這將對寄存器進(jìn)行一次查詢，但不會(huì)產(chǎn)生大量工作，占用寶貴的處理時(shí)間。

DMA 的常見用法是將數(shù)據(jù)移入或移出芯片。CPU 訪問片上存儲器的速度大大快于其訪問片外或外部存儲器的速度。將盡可能多的數(shù)據(jù)放于芯片上是提高性能的最佳途徑。如果被處理的數(shù)據(jù)不能全部同時(shí)放于芯片上（如大型陣列），那么數(shù)據(jù)可使用 DMA 成塊地移入或移出芯片。所有數(shù)據(jù)傳輸都可在后臺進(jìn)行，同時(shí) CPU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際處理。片上存儲器的智能管理和布局可以減少數(shù)據(jù)必須移入、移出存儲器的次數(shù)。就如何使用片上存儲器開發(fā)出智能計(jì)劃，在這項(xiàng)工作上投入時(shí)間和精力是值得的。總體而言，規(guī)則就是使用 DMA 將數(shù)據(jù)移入、移出片上存儲器并在芯片上生成結(jié)果（圖 6）。由于成本和空間原因，大多數(shù) DSP 不具備很多芯片上存儲器。這要求編程人員協(xié)調(diào)算法，以高效利用現(xiàn)有的片上存儲器。

為使用 DMA 測量代碼確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一些性能損失。根據(jù)應(yīng)用使用 DMA 的多少，代碼大小會(huì)上升。如果全面啟用 DMA，我們曾遇到過代碼大小增長 50% 的情況。使用 DMA 還增加了復(fù)雜性和應(yīng)用的同步化。只有在要求高吞吐量的情況下才應(yīng)使用 DMA。但是，片上存儲器的智能布局和使用以及明智地使用 DMA 能夠消除大多數(shù)訪問片外存儲器所帶來的性能損失。

                               
                               圖 6. 使用 DMA 將數(shù)據(jù)移入、移出芯片的模板

等待狀態(tài)與探詢

就像存儲器和CPU一樣，可將DMA視為資源。在DMA操作進(jìn)行過程中，應(yīng)用可以等待DMA傳輸完成，也可以繼續(xù)處理應(yīng)用的另一部分，直到數(shù)據(jù)傳輸完成為止。每種方法都有其優(yōu)勢和劣勢。如果應(yīng)用等待DMA傳輸完成，那么它必須探詢DMA硬件狀態(tài)寄存器，直至對比特的設(shè)置完成。這要求CPU在循環(huán)操作中檢查DMA狀態(tài)寄存器，從而導(dǎo)致浪費(fèi)寶貴的CPU周期。 如果傳輸較短，那么這只需幾個(gè)周期就可完成，等等也是值得的。如果數(shù)據(jù)傳輸較長，應(yīng)用工程師可能希望使用同步化機(jī)制，如在傳輸完成時(shí)發(fā)出信號標(biāo)志一樣。在這種情況下，應(yīng)用會(huì)在傳輸發(fā)生時(shí)通過系統(tǒng)等待信號標(biāo)志。該應(yīng)用將與另一個(gè)準(zhǔn)備運(yùn)行的應(yīng)用進(jìn)行交換。任務(wù)交換也會(huì)導(dǎo)致開銷，因此如果任務(wù)交換產(chǎn)生的開銷大于對DMA完成進(jìn)行簡單探詢帶來的開銷，那么就不應(yīng)進(jìn)行任務(wù)交換。等待時(shí)間取決于被傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量。

圖7顯示了檢查傳輸長度并執(zhí)行DMA探詢操作（如果只需要傳輸幾個(gè)字的話）或信號標(biāo)志等待操作（對較大型數(shù)據(jù)傳輸而言）的一些代碼。數(shù)據(jù)大小"平衡"長度取決于處理器以及接口結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)建立起原型，以確定最佳大小。

圖8顯示了等待操作的代碼。在這種情況下，應(yīng)用將進(jìn)行SEM_pend操作，以等待DMA傳輸?shù)耐瓿?。通過暫時(shí)中止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)并交換到另一項(xiàng)任務(wù)以進(jìn)行其他處理，可使應(yīng)用能夠進(jìn)行其他有意義的工作。當(dāng)操作系統(tǒng)中止一項(xiàng)任務(wù)而開始執(zhí)行另一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一定量的開銷。開銷量的大小取決于DSP和操作系統(tǒng)。

圖9顯示了探詢操作的代碼。在該例中，應(yīng)用將繼續(xù)探詢DMA完成狀態(tài)寄存器以獲知操作是否完成。這要求使用CPU來進(jìn)行探詢操作。這樣做使CPU無法進(jìn)行其他有意義的工作。如果傳輸足夠短，那么CPU只需在短時(shí)間內(nèi)探尋狀態(tài)寄存器，這種方法也就可以更有效。

              

       圖7. 檢查傳輸長度并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序功能的代碼片段，其將探詢DSP狀態(tài)寄存器中的DMA完成位，抑或等待操作系統(tǒng)信號標(biāo)志。{{分頁}}

最后決策建立于數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量以及CPU探詢必須進(jìn)行多少周期的基礎(chǔ)上。如果探詢所需時(shí)間少于操作系統(tǒng)交換任務(wù)并開始執(zhí)行新任務(wù)的開銷，那么這種方法就會(huì)更有效。

                      
                          圖 8. 等待 DMA 完成信號標(biāo)志的代碼片段 

                   
                                      圖9. 探詢 DMA 是否完成的代碼片段

內(nèi)存的管理

DSP 最重要的資源之一就是其本身片上或內(nèi)部的存儲器。這是大多數(shù)計(jì)算將發(fā)生的地方，因?yàn)樵L問該存儲器比訪問片外或外部存儲器要快得多。由于許多 DSP 因?yàn)闆Q定不可預(yù)見性的緣故都不具備數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器，因此軟件設(shè)計(jì)人員將 DSP 內(nèi)存看作是一種由程序員管理的高速緩沖存儲器。與程序員不能控制的處理器硬件高速緩沖存儲器數(shù)據(jù)以提高性能不同，DSP 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在DSP程序員的完全控制之下。使用 DMA，數(shù)據(jù)可以在后臺進(jìn)出內(nèi)存，基本或完全不受DSP CPU的干預(yù)。如果管理正確有效的話，內(nèi)存會(huì)成為非常有價(jià)值的資源。

安排好內(nèi)存的使用并隨時(shí)管理數(shù)據(jù)進(jìn)入內(nèi)存的地點(diǎn)，這是相當(dāng)重要的?？紤]到用于眾多應(yīng)用的有限內(nèi)存量，并非所有的程序數(shù)據(jù)都能在應(yīng)用執(zhí)行時(shí)間中儲存于內(nèi)存中。隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)將被移至內(nèi)存中，進(jìn)行處理，可能會(huì)被重新使用，并在不需要時(shí)移至外部存儲器中。圖10顯示了內(nèi)部 DSP 存儲器在應(yīng)用執(zhí)行時(shí)可能的存儲器映射情況。在應(yīng)用執(zhí)行時(shí)，不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將移至片上存儲器中，并最終移出芯片保存到外部存儲器中，或在不需要時(shí)在內(nèi)存中將其覆蓋。

        
                                              圖10. 必須由程序員管理的 DSP 內(nèi)存

結(jié)論

直接存儲器存取 (DMA) 是無需 CPU 干預(yù)而訪問存儲器的一種方法。外設(shè)用于向內(nèi)存直接寫入并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，這就減輕了 CPU 的負(fù)擔(dān)。DMA 只是另一種類型的CPU，其唯一作用就是快速移動(dòng)數(shù)據(jù)，優(yōu)勢則在于 CPU 可以向 DMA 發(fā)出一些指令移動(dòng)數(shù)據(jù)，隨后就可以再進(jìn)行原本的工作。程序員應(yīng)當(dāng)充分利用 DMA 的功能，特別是對 DSP 系統(tǒng)中常見的、數(shù)據(jù)強(qiáng)度大的數(shù)字處理應(yīng)用更是如此。DMA能夠大大減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)，并有助于高效管理數(shù)據(jù)。

下一次，我們將討論其他一些利用 DSP 器件架構(gòu)，并使用編譯器調(diào)度高效代碼的DSP 優(yōu)化技術(shù)，其也能顯著改善性能。具體的課題將包括軟件流水線和循環(huán)展開技術(shù)。

參考書目

《TMS320C62X 程序員指南》，德州儀器，1997 年；

《計(jì)算機(jī)架構(gòu)，量化的方法》，作者：John L Hennesey 和 David A Patterson , Morgan Kaufmann Publishers 公司1990 年版權(quán)所有，Palo Alto, CA。