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數字信號處理器(DSP)在性能、外設、功耗和價格上已經結合得非常好了，許多系統(tǒng)工程師希望利用DSP的優(yōu)勢，取代傳統(tǒng)設計方案中使用的處理器，但一個潛在難題是設計工程師已經為他們的應用開發(fā)了大量C和C++代碼。很明顯，工程師都愿意在DSP平臺上利用現有的高級代碼，同時利用DSP的體系結構特性以獲得更好的性能。 HLL與匯編語言 當開發(fā)基于DSP的軟件時，必須要做的一項工作就是確定使用哪一種程序設計方法學，通常是在匯編語言和高級語言(HLL)(例如C或C++語言)之間進行選擇。 C和C++的優(yōu)點包括模塊性、便攜性以及可重復利用性。 傳統(tǒng)的匯編語言由于其語法和縮寫難以理解和使用，長期以來不被人們所看好。目前的“代數語法”體系結構有了很大改進。表1是使用傳統(tǒng)風格和使用代數格式的典型DSP指令實例，很顯然后者的結構更加直觀。在所提供的實例中，r寄存器是數據寄存器，p寄存器是指針寄存器。 用匯編語言編程困難的一個原因是由于其數據流集中在DSP實際寄存器組、計算單元和存儲器之間。用C或C++語言編程，這種操作通常通過使用變量和函數，或過程調用出現在更加抽象的處理等級之間，從而使得代碼更容易跟隨。 為提高DSP執(zhí)行效率，工具開發(fā)商會使用匯編語言對重要的數據密集代碼模塊進行優(yōu)化。HLL編譯優(yōu)化轉換可以很好地完成該項工作，而且對DSP數據流和計算的直接控制能力是極為出色的。這就是為什么設計工程師通常結合使用C/C++和匯編語言。HLL適合于控制和基本的數據操作，而匯編語言適合于高效的數字計算。 適合高效編程的體系結構的特性 為了使匯編語言程序員能夠有效地完成工作，需要了解處理器的結構類型，以便能夠區(qū)分不適合高速數字計算的那些DSP處理器。這些適合高效編程的體系結構結構特性包括： ● 專用尋址模式 ● 硬件環(huán)路結構 ● 高速緩沖存儲器 ● 每周期多次操作 ● 互鎖流水線 ● 靈活的數據寄存器文擋 專用尋址模式 允許處理器在單周期內訪問多個數據字需要靈活的地址產生方式。除了需要更大的以DSP為中心的16bit和32bit邊界的訪問尺寸外，還需要字節(jié)尋址以達到最有效的處理。這是非常重要的，因為一些普通應用(例如許多基于視頻的系統(tǒng))都是按照8bit數據操作。當處理器訪問限制在單一邊界內時，處理器可能需要額外的周期來掩蔽掉相關的位。 另外一種有利的尋址能力是“循環(huán)緩沖”。該特性必須直接由處理器支持，無須專門的軟件管理開銷。循環(huán)緩沖允許程序員定義存儲器中的緩沖器，并且自動跨越它們。一旦緩沖器設置好，則無須專門的軟件交互操作數據。地址發(fā)生器處理非同式跨幅，更重要的是可以處理圖1所示的“環(huán)繞式”特性。如果沒有這種自動地址產生功能，程序員必須手動跟蹤緩沖器，從而浪費了寶貴的處理周期。 圖1 環(huán)繞式緩沖的例子 在此例中，基地址和起始索引地址＝0x0；索引地址寄存器I0指向地址0x0；緩沖器長度L＝44(11個數據元素×4字節(jié)/元素)；修改寄存器M0＝16(4個數據元素×4字節(jié)/元素) 實例代碼： R0 = [I0++M0]; //R0 = 1，I0在代碼執(zhí)行后指向0x10 R1 = [I0++M0]; //R1 = 5，I0在代碼執(zhí)行后指向0x20 R2 = [I0++M0]; //R2 = 9，I0在代碼執(zhí)行后指向0x04 R3 = [I0++M0]; //R3 = 2，I0在代碼執(zhí)行后指向0x14 R4 = [I0++M0]; //R4 = 6，I0在代碼執(zhí)行后指向0x24 用于高效信號處理運算(例如快速傅立葉變換(FFT)和離散余弦變換(DCT))的一種重要尋址模式是比特翻轉。顧名思義，“比特翻轉”就是將二進制地址中的比特翻轉，也就是說將權值最小的比特與權值最大的比特交換位置。由基為2的蝶形所要求的數據順序是“已翻轉比特”的順序，因此比特翻轉索引用來組合FFT級。可以計算軟件中的這些比特翻轉索引，但是這樣做的效率非常低。圖2所示是比特翻轉地址流實例。 圖2 硬件比特翻轉機理 實例代碼： LSETUP(起始, 終止)LC0＝P0； //循環(huán)數P0＝8 起始：R0 = [I0] || I0 += M0(BREV)； //I0指向輸入緩沖器，在比特翻轉過程中自動增加 終止：[I2++] = R0； ; //I2指向比特翻轉緩沖器 硬件循環(huán)結構 循環(huán)在通信處理算法中是一項很重要的特性。有兩個與循環(huán)有關的關鍵特性能夠改進多種算法的性能。第一個特性稱作“零開銷硬件循環(huán)”。隨著尋址能力的提高，循環(huán)結構可以在硬件中實現。此外，當該項功能用軟件實現時，相關的開銷可減小到實時處理預算。零開銷循環(huán)允許程序員通過設置計數值并且定義循環(huán)邊界初始化循環(huán)。處理器將繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)直到計數結束。 零開銷循環(huán)是大多數處理器必不可少的一部分，但“硬件循環(huán)緩沖器”實際上可以提高循環(huán)結構的性能。它們用作循環(huán)中所執(zhí)行指令的一種高速緩沖存儲器。例如，在第一次執(zhí)行完一個循環(huán)之后，可將該指令保存在循環(huán)緩沖器中，從而無須在每一次循環(huán)都反復重取相同指令。通過將循環(huán)指令保存在能夠在單周期內訪問的緩沖器中，能夠節(jié)省大量的周期數。該特性不需要程序員進行額外的設置，但是需要知道循環(huán)緩沖器的尺寸以合理地選擇循環(huán)大小。 高速緩沖存儲器 通常典型的DSP具有少量的快速、內置存儲器。MCU通常可以訪問大量的外部存儲器。分層存儲器體系結構將這兩種方案的優(yōu)點結合在一起，從而可提供幾種等級具有不同性能的存儲器。對于需要最高性能應用，可以在單個核心時鐘周期內訪問內置SRAM。對于具有大代碼尺寸的系統(tǒng)，可提供大量、較長等待延遲的片內和片外存儲器。 這種分層存儲器體系結構本身僅僅是發(fā)揮一定的作用，由于現在的高性能處理器常常運行在較低的時鐘頻率下，因此大的應用程序只能裝在較慢的外部存儲器中。此外，程序員被迫手動將關鍵代碼移入和移出內部SRAM。但是，通過將數據和指令高速緩沖存儲器加到該體系結構中后，外部存儲器更易于管理，高速緩沖存儲器可以減少將指令和數據移入處理器內核的手工操作。由于不需要考慮進入內核的數據和指令流管理，可以大大簡化編程模式。 指令高速緩存通常采用了某種類型的最近最少使用(LRU)算法，從而確保更常用的指令代替較少使用的指令。將一些內置數據存儲器配置為高速緩存和部分SRAM的能力可以優(yōu)化性能。直接存儲器訪問(DMA)控制器能夠直接控制內核，同時當需要表中數據時將其讀入數據高速緩存。一旦高速緩存允許并且DMA控制器配置完畢，則程序員即可集中精力于內核算法的開發(fā)。 每周期多次操作 通常以每秒執(zhí)行多少百萬條指令(MIPS)來衡量處理器。曾經被保留用在高成本并行處理器中的多發(fā)布指令目前也可用在低成本、定點處理器中。除了在每個核心處理器周期內完成多條ALU或MAC操作外，在相同周期內還可完成額外的數據處理和數據存儲。存儲器通常劃分為子若干個存儲器組，這些存儲器組可以被內核雙向訪問并且被DMA控制器隨機訪問。鑒于上述的基于硬件的尋址算法的分解方法，很明顯其可以在單個周期內完成許多操作。 圖3示出多操作指令的一個實例。如圖3所示，在一個周期內除了完成兩條獨立的MAC操作外，在相同的處理器時鐘周期內還完成了數據讀取和數據存儲。 圖3 Blackfin多發(fā)布指令在單周期內完成幾次操作 互鎖流水線 隨著處理器速度的增加，從整個電路級來看處理流水線必定會變得更深。然而，有些處理器具有“互鎖”流水線。這意味著當完成匯編語言編程時，程序員不必手動調度或跟蹤通過流水線的數據和指令。處理器會自動處理這些時序的事情。 靈活的數據寄存器文檔 最后，另外一個補充特性是通用數據寄存器集。在傳統(tǒng)的定點DSP中，字長通常是固定的。然而，具有能夠用作一個32bit(例如R0)或兩個16bit(例如分別用于低8bit和高8bit的R0.L和R0.H)的數據寄存器是非常有利的。在雙MAC系統(tǒng)中，這允許在單周期內操作四個16bit的數據。 內積 內積或者標量積在度量兩個向量的正交性時是很有效的操作。大多數C語言程序員應該熟悉以下的內積操作： short dot(short a[], short b[], int size) { int i; int output = 0; for(i=0; i return output; 下面是Blackfin處理器匯編代碼的主要部分： //P0=loop count, I0 & P1 are address registers A1 = A0 = 0; // A0 & A1 are accumulators LSETUP (loop1,loop1) LC0 = P0 ;// Setup hardware loop starting at label loop1: loop1: A1 +=R1.H*R0.H, A0+=R1.L*R0.L||R1=[P1++]||R0=[I0++]; 下面幾點說明了簡化這種緊湊編碼的DSP體系結構特性。 硬件循環(huán)緩沖器和循環(huán)計數器在每次迭代的末端不需要跳轉指令。由于內積是乘積總和，因此可在一次循環(huán)中完成。該匯編程序所示是LSETUP指令，它是執(zhí)行循環(huán)所需的唯一指令。 多發(fā)布指令允許在相同的周期內執(zhí)行多條指令和兩次數據訪問。在每一次迭代時，必須先讀取a和b值，然后相乘，最后寫回到可變輸出的運行總和中。在許多MCU平臺上，這實際上等于四條指令。匯編代碼的最后一行示出在一個周期內可執(zhí)行的所有操作。 并行ALU操作允許同時執(zhí)行兩條16bit指令。匯編代碼示出在每次迭代中使用的兩個累加器單元(A0和A1)，這將迭代次數減少了50%，從而將原來的執(zhí)行時間減少了一半。 FIR算法 有限脈沖響應(FIR)濾波器是一種等價于卷積操作很常見的濾波器結構。A通過C操作看起來非常類似于內積。 //將信號取樣到循環(huán)緩沖器中 x[cur] = sampling_function(); cur = (cur+1)%TAPS; // 在循環(huán)中增加cur指針 //完成乘加 y = 0; for (k=0; k 使用匯編語言編寫的FIR內核格式有些類似于內積。在這個特定的例子中，取樣值存儲在R0寄存器中，同時系數存儲在R1寄存器中。 // P0 存有濾波器抽頭 R0=[I0++] || R1=[I1++]; // 設置R0和R1的初始值 A1=A0=0; // 將累加器置零 LSETUP (loop1, loop1) LC0 = P0;//設置內部循環(huán) loop1: A1+=R0.L*R1.L, A0+=R0.H*R1.H||R0=[I0++]||R1=[I1++]; //計算 除了具有所描述的用于內積的特性外，上面所示的FIR算法也可使用循環(huán)緩沖。 循環(huán)緩沖器不需要直接取余運算。在C代碼片段中，%(取余)運算符可提供一種用于循環(huán)緩沖的機理。正如匯編內核中所示，這些取余運算符不能被編譯為內循環(huán)中的其他指令。相反，數據地址發(fā)生器寄存器I0和I1可在外循環(huán)中配置，以便在循環(huán)到達系數緩沖器邊界時能夠自動返回起始處。 FFT算法 快速傅立葉變換(FFT)是許多信號處理算法不可缺少的一部分，其特點之一是輸入向量按照連續(xù)時間順序排列，但輸出按比特翻轉順序排列。大多數傳統(tǒng)的通用處理器要求程序員用單獨的程序整理比特翻轉輸出。在DSP平臺上，比特翻轉可用于尋址引擎。 比特翻轉尋址在實現FFT時不需要單獨的比特翻轉程序，允許硬件自動將FFT算法的輸出進行比特翻轉，無須程序員編寫額外的程序，從而改進了性能。 除了上面所提到的指令外，有些處理器也包括額外一套專用指令以支持多種應用。提供這些指令的目的就是進一步提高對算法的處理能力，例如維特比算法、Huffman編碼以及許多其他比特操作程序。 |
