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摘要 在C6000 DSP的開發過程中，優化是必不可少的一個環節，根據對象不同可以分為系統，算法，代碼以及內存優化。通常，開發者熟悉自己的代碼，會從前三個方面修改以獲得整體性能的提升，但是對于內存尤其是緩存(Cache)的優化，因為其涉及到芯片本身的架構，Cache的維護由DSP自動完成，用戶通常不能干預，所以似乎無從著手;考慮到這些實際的問題，從TI的7.0系列編譯器開始支持使用緩存優化工具(Cache Layout Tools)對C6000代碼進行優化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成L1P Cache性能的提升，本文詳細介紹了該工具的使用方法。 1.引言 目前，使用TI DSP的用戶越來越多，在C6000系列DSP中，包含了C64x, C64x+, C66x等。在C6000 DSP的開發過程中，為了充分利用DSP的計算資源，需要對用戶程序進行優化的工作，根據對象不同可以分為系統，算法，代碼以及內存優化。通常，開發者熟悉自己的系統和代碼，可以比較方便的從前三個方面修改以獲得整體性能的提升，但是對于內存尤其是緩存(Cache)的優化，因為其涉及到芯片本身的架構，Cache的維護由DSP自動完成，用戶通常不能干預，所以似乎無從著手;考慮到這些實際的問題，從TI 的7.0 系列編譯器開始支持使用緩存優化工具(Cache Layout Tools)對C6000代碼進行優化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成L1P Cache性能的提升，本文詳細介紹了該工具的使用方法。 2.C6000 DSP內核緩存機制 C6000系統的存儲器結構如下圖所示。 Figure 1.C6000存儲器結構 存儲器分成三級：第一級是L1，包括數據存儲器(L1D)和代碼存儲器(L1P);第二級是代碼和數據共用存儲器(L2以及MSMC SRAM);第三級是外部存儲器，主要是DDR存儲器。L1P、L1D和L2的Cache功能分別由相應的L1P 控制器、L1D控制器和L2控制器完成。 在C6000 DSP中通常我們會把L1P全部配置成Cache，當CPU發出取指命令，首先會從L1P里查找，如果L1P找不到，則到下一級Cache或者Memory里查找，當找到需要的地址，則將其讀入L1P里，CPU從中讀取執行。 因為L1P Cache的大小是有限的(本文以32KB為例)，而用戶內存空間一般大于32KB，必須采取一種映射的方式使得所有地址都能被L1P緩存;在C6000 DSP中，L1P Cache使用地址直接映射，所有DSP 核可訪問的地址對L1P Cache大小(32K)取模就能得到該地址在L1P Cache的偏移值。 如果用戶代碼在內存排布不合理，可能會在L1P Cache中發生反復的內容替換，下圖中的例子是一個極端情況。 Figure 2. 函數的不正確排布 TOP函數中FOR循環反復調用A 函數，而A,B,C三個函數在內存地址的分布上，與32KB邊界的偏移地址是一樣的，因此，A,B,C將對應L1P里同一個CACHE位置;其運行流程如下 當執行A時，CPU需要把A函數調入到Cache偏移值N的位置上; A調用B，此時調入B到Cache偏移值N 的位置上，覆蓋A的代碼; B調用C，此時調入C到Cache偏移值N 的位置上，覆蓋B的代碼; C返回，下一次循環調入A到Cache中覆蓋C的代碼。 DSP核對L1P，L2，DDR的訪問速度差異很大，對L1P的訪問通常在1 個時鐘周期內完成，而L2平均需要3-5個周期，DDR訪問需要的時間更多，因此我們應該盡量避免上述這種反復重寫Cache的情況，盡可能的減少函數在Cache中的置換。 如何解決該問題?最好的解決方法則是將A，B,C在內存中連續排放，這樣對Cache的操作次數將降到最低，能夠有效的提高執行效率，如下圖所示，只要A，B，C總的大小不超過32KB，它們在Cache中的偏移值就是連續的，不會發生覆蓋的現象，即使其總和大于32KB，發生置換的也僅僅是超過32K的部分。 Figure 3. 函數的正確排布 3.內存優化工具 通過上述機制可以看到，對于L1P Cache的優化主要通過分析函數調用關系和其在內存的分布。由于用戶代碼日益復雜，人工分析代碼調用關系和地址排布需要花費大量的時間。因此，從7.0系列編譯工具開始，TI提供了一套內存優化工具(Cache Layout Tools)來幫助用戶輕松快捷地解決該問題。 該工具的原理是在用戶進行程序編譯時打開生成分析信息選項，編譯器會自動加入分析記錄代碼到用戶程序里，之后用戶在TI DSP simulator或者DSP芯片上運行該可執行文件，內置的分析代碼會自動記錄用戶的函數調用關系及調用次數。運行的案例越多，記錄的信息會更詳細，優化的效果也就越好。 在得到函數運行時信息以后，就可以使用編譯器工具對其進行分析，生成函數排布的順序，最后將此排布順序輸入到編譯器里重新編譯原代碼，生成的可執行文件就已經優化過內存排布，具體的操作可以參照以下實例。 4.實例教程 該實例主要由三個C文件組成， 實例中使用DSP計數器TSCL來統計cycle數，子函數放在sub目錄下。 使用實例的步驟如下， 1.編譯代碼 使用TI編譯器對該實例進行編譯，為了產生用于profile的信息，需要在編譯時增加--gen_profile_info選項。如果使用命令還形式，命令行下運行Compile.bat文件，cl6x的具體參數可以參考spru186和spru187兩篇文檔，一般可以在編譯器的安裝目錄下找到他們，如C:\Program Files(x86)\Texas Instruments\C6000 Code Generation Tools 7.3.9\doc。 同時在目錄下生成OBJ和ASM文件，這個和我們的實驗關系不大，可以不用關注。out文件是一會需要下載到芯片里運行的可執行文件，而map文件用于幫助我們定位profile信息存放的內存地址。 如果用戶使用CCS編譯工具，則需要在Build的屬性里指定Feedback選項，然后正常編譯即可生成攜帶分析代碼的可執行文件。 Figure 4. CCS初編譯的選項 2.獲取分析信息 根據用戶獲取分析數據的不同，這里有兩種方法，第一種方法適用于持續運行的程序，比如在基于SYS/BIOS的程序里，有些任務是以循環的方式存在的，這時用戶需要自己從DSP內存里讀取分析數據。 首先打開map文件，可以找到.ppdata段的內存地址，這個地址就是profile信息存放處，在例子中 ppdata 0 0081fecc 00000034 UNINITIALIZED ppdata段位于0x0081fecc這個地址，長度是34個byte。 啟動CCS，連接EVM板，下載out文件到DSP上，在main函數末尾加上調試斷點，可以讓程序到這里暫停(實際上，在用戶代碼中，可以把斷點設置在需要的任何地方，profile的信息是實時更新的)。 運行該程序，到達斷點后，在View菜單里打開memory browser，將地址設定為0x0081fecc, 可以讀到.ppdata 的信息，參考以下步驟將其存到工程目錄下。 1)選取Save Memory 2)存放路徑 3)確定數據地址和長度，如下圖 4)修改dat文件 打開剛才存下的dat文件，注意到文件頭的數據長度是以32比特字為單位的，我們需要以8比特字節為單位，如 1651 9 81fecc 0 d 1 修改為 1651 9 81fecc 0 34 1 5)轉換文件格式 對剛才的運行profile信息進行分析，得到優化后的cmd 內存排布文件，該文件內容如下，用戶可根據自己的程序進行修改 如果是大端，則將-le選項改為-be選項。 第二種方法，針對于只需運行一次流程的程序，CCS可以自動生成pdat文件，需要注意的是，生成pdat文件的分析代碼是在用戶程序結束也就是exit()程序執行時進行，因此用戶要保證自己的程序能完整運行到主函數出口結束，否則無法生成pdat文件，需要用第一種方法來獲取數據。 3.重新編譯代碼 首先使用pdd6x從數據文件里提取prf文件作為重編譯的輸入文件 在命令行形式下，可以以以下形式調用輸入文件生成csv文件， 在CCS環境下，只需要在CCS里指定需要的數據文件后產生csv文件， Figure 5.CCS重編譯的選項 通過調用clt6x生成內存排布 將輸出的pfo.cmd加入到項目的cmd文件重新編譯輸出優化后的out文件，cache優化到此完成。對比優化結果，對于TCP/IP的例子應用上，CLT帶來了接近20%的提升，對于視頻編碼等應用CLT也帶來了5%左右的提升。而且，用戶代碼量越大，則CLT可能帶來的提升越明顯。 4.結論 通過使用CLT工具，可以方便快捷的對用戶代碼的Cache 分配進行優化，用戶不需要了解DSP Cache分配的詳細信息，只需要在Simulator或者硬件板卡上運行定制的代碼，就可以方便快捷地得到Cache的詳細信息，并自動根據這些信息對程序在內存的分布進行配置已達到提升性能的效果。 參考文獻 1.TMS320C66x DSP CorePac User Guide(SPRUGW0) 2.KeyStone Architecture Multicore Shared Memory Controller(MSMC)User Guide(SPRUGW7) 3.KeyStone Architecture DDR3 Memory Controller User Guide(SPRUGV8) 4.Cache Layout Tools Example |
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