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本文分析了TMS320C6000的硬件設計和指令系統的特點,結合應用開發過程中遇到的問題,對這種高速并行DSP器件的開發方法進行了總結。 1 TMS320C6000的硬件設計和指令系統 TMS320C6000系列DSP(數字信號處理器)是TI公司最新推出的一種并行處理的數字信號處理器。它是基于TI的VLIW技術的，其中 TMS320C62xx是定點處理器,TMS320C67xx是浮點處理器。本文主要討論TMS320C6201。該處理器的工作頻率最高可以采用 50MHz,經內部4倍頻后升至200MHz,每個時鐘周期最多可以并行執行8條指令,從而可以實現1600MIPS的定點運算能力,而且完成1024定點FFT的時間只需70μs。 1.1 TMS320C6000的硬件結構 圖1是TMS320C6000 CPU的結構圖。 TMS320C6000的CPU有兩個數據通道A和B,每個通道有16個32位字長的寄存器(A0～A15,B0～B15),四個功能單元 (L,S,M,D),每個功能單元負責完成一定的算術或者邏輯運算。A、B兩通道的寄存器并不是完全共享,只能通過TMS320C6000提供的兩個交換數據通道1X、2X,才能實現處理單元從不同通道的寄存器堆那里獲取32位字長的操作數。 TMS320C6000的地址線為32位，存儲器尋址空間是4G。C6201片內集成有1Mbit SRAM——512Kbit的程序存儲器(根據需要可全部配置成Cache)和512Kbit的數據存儲器。通過片內的程序存儲空間控制器,CPU一次可以取出256bit,即一次最多可以取出8條32位指令。 C6201有32位的外部存儲接口EMIF為CPU訪問外圍設備提供了無縫接口。外圍設備可以是同步動態存儲器(SDRAM)、同步突發靜態存儲器(SBSRAM)、靜態存儲器(SRAM)、只讀存儲器(ROM),也可以是FIFO寄存器。 為了便于進行多信道數字信號處理,TMS320C6000配備了多信道帶緩沖能力的串口McBSP。McBSP的功能非常強大,除具有一般 DSP串口功能之外,還可以支持T1/E1、ST-BUS、IOM2、SPI、IIS等不同標準。McBSP最多支持128個信道;支持多種數據格式(8 /12/16/20/24/32bit)的傳輸;可自動進行u律、A律壓擴。其工作速率可達到1/2時鐘速率。 TMS320C6000提供的16位主機接口(HPI)使得主機設備可以直接訪問DSP的存儲空間。通過內部或外部存儲空間,主機和DSP可以交換信息。主機也可以利用HPI直接訪問映射進存儲空間的外圍設備。 DSP器件一般都帶有DMA控制器,可以在CPU操作的后臺進行數據傳輸。TMS320C6201的DMA控制器有4個獨立的可編程通道,可以同時進行四個不同的DMA操作,每個通道的優先級可以通過編程設定。每個通道可以根據需要傳輸8/16/32bit的數據,并且DMA控制器可以訪問全部 32位的地址空間。此外,還有一個輔助通道允許DMA控制器響應主機通過HPI口發來的請求。 1.2 指令系統 C62xx和C67xx共享同一個指令集。C67xx可以使用所有的C62xx指令,但因為C67xx是浮點芯片,所以C67xx的指令集中有一些指令只能用于浮點運算。TMS320C6201CPU的設計采用了類似于RISC的結構,指令集簡單、運算速度快。8個功能單元負責不同功能的運算, 指令和功能單元之間存在一個映射關系。其中,L單元有23條指令,M單元有20條指令,S單元29有條指令,D單元有26條指令。 TMS320C6201的大部分指令都可在單周期內完成,都可以直接對8/16/32bit數據進行操作。同時,TMS320C6201指令集針對數字信號處理算法提供了一些特殊指令:為復雜計算提供的40bit的特殊操作的加法運算;有效的溢出處理和歸一化處理;簡潔的位操作功能等。 TMS320C6201中最多可以有8條指令同時并行執行;所有指令均可條件執行。以上所有特點提高了指令的執行效率、減小了代碼長度、大大減少了因跳轉引起的開銷、提高了編碼效率。 流水線操作是DSP實現高速度、高效率的關鍵技術之一。TMS320C6000只有在流水線充分發揮作用的情況下,才能達到1600MIPS的速度。C6000的流水線分為三個階段:取指、解碼、執行,總共11級。和以前的C3x、C54x相比,有非常大的優勢,主要表現在:簡化了流水線的控制以消除流水線互鎖;增加流水線的深度以消除傳統流水線結構在取指、數據訪問和乘法操作上的瓶頸。其中取指、數據訪問分為多個階段,使得C6000可以高速地訪問存儲空間。 2 優化編程的幾個方法 使用TMS320C6000進行程序設計時,首先的感覺是匯編指令集太小了。C6000在設計時采用了一種類RISC機的結構,運算速度特別快,但是指令集卻非常簡單。象DSP算法中常用的乘加指令、循環操作指令等,在C54x和C3x中兩條指令就可以完成的功能,而在C6000中卻需要一個循環體,所以它的程序設計一般比較復雜。要想充分發揮C6000的運算能力,必須從它的硬件結構出發,最大限度地利用八個功能單元,使用軟件流水線,盡量讓程序無沖突的并行執行。 并行處理的長處在于,在處理彼此之間沒有承接關系的運算時,在CPU資源允許的情況下可以并行完成。但對于前后有承接關系或者判斷、跳轉頻繁的情況,就無法發揮并行的優勢。一般循環體都滿足并行處理的條件,并且循環體往往是程序中耗時最長的地方。因此進行C6000應用開發時應將優化重點放在循環體上。為了降低開發難度,C6000提供了很多在高級語言(如ANSI C)一級對程序進行優化的方法。在應用滿足實時性處理要求時,應盡量采用這種方法。但是這種方法的效率比較低,C語言優化最好的例子是點乘,這種循環使用 C語言進行優化可以百分之百地的利用CPU資源,程序的并行性達到最好。但是我們在做20點的點乘時發現它的耗時是匯編語言程序的3倍。所以如果系統的實時性要求比較高,就不能使用這種優化方法了。 這時可以考慮使用線性匯編語言進行開發。線性匯編語言是TMS320C6000中獨有的一種編程語言,介于高級語言和低級語言之間。因為在用手寫匯編語言進行應用開發時,開發者除了要精通C6000的指令系統之外,還必須為指令分配功能單元、考慮指令的延遲和功能單元之間的配合以及合理分配使用 32個寄存器,才能寫出高效的并行指令,發揮C6000的威力。上面任何一個方面出現問題,都會嚴重影響算法的效率。 線性匯編語言的指令系統和匯編語言的指令系統完全相同,但是它有自己的匯編優化器指令系統,用于和匯編優化器配合使用。與匯編語言的最大區別在于,編寫線性匯編語言時不需要考慮指令的延時、寄存器的使用和功能單元的分配,完全可以按照高級語言的方式進行編寫。當然由于它不是高級語言,有許多編程的限制。例如,在優化循環體時,不能使用跳轉到循環體之外的跳轉指令;另外計數器只能使用減計數,如果使用加計數,優化器將不能工作等等。但總的說來,它的代碼效率遠遠高于高級語言,而且開發難度和開發周期比匯編語言要小得多。 在實際開發過程中需要具體情況具體分析,選擇一種高效、快捷的開發方法。以下結合應用開發中的幾個模塊來簡述我們使用的優化方法。 2.1 使用匯編語言 使用匯編語言進行并行編程難度比較大。但在有些情況下,程序中數據有非常強的承接關系,并且該程序體邏輯關系清楚,使用的寄存器不超過32個, 這時直接使用匯編語言實現,效率會更高。另外,有些使用C語言比較難實現的運算函數,在C6000的匯編指令集中可能有專用DSP指令,這時就可以直接使用匯編語言實現。 使用匯編語言進行編程時特別需要注意的是C6000指令的延遲情況,有些指令并不是立刻就能得到結果。C6000指令集中有延遲的指令如表1所示。 例1 32位歸一化函數norm_l() short norm_l(long L_var1) {short var_out； if (L_var1 == 0L) { var_out = (short)0； } else { if (L_var1 == (long)0xffffffffL) { var_out = (short)31； } else { if (L_var1 < 0L) { L_var1 = *L_var1； } for(var_out=(short)0；L_var1<(long)0x40000000L； var_out++) { L_var1 <<= 1L； }}} return(var_out)； } 使用匯編語言進行優化: .global _norm_l _norm_l： B B3 CMPEQ 0，A4，B0 [!B0] NORM A4，A4 NOP 3 消耗時間(時鐘周期):C語言norm_l()為723;匯編語言為11。 2.2 使用線性匯編語言重寫整個函數 對于某些以循環體為主的函數可以使用線性匯編語言重寫整個函數。使用匯編優化器進行優化之后,效率是非常高的。 下面例子是算法中計算幀能量的函數,其中包含兩個單循環體。進行優化時,首先要確定循環的次數。對于循環次數是變量的情況,優化器不進行并行優化; 其次盡量減少數據存取次數,例如以32位存取指令對16位數據進行存取,可以節省一半的存取周期。仔細觀察C代碼,會發現兩次循環次數相同。第二個循環要用到第一個循環的結果,因此可以將兩個循環合并在一起,這樣就避免了在第二個循環中再從存儲器中取結果,減少了一半的Load操作。 long Comp_En( short *Dpnt) { int i ； long Rez ； short Temp[60] ； for ( i = 0 ； i < 60 ； i ++) Temp[ i] = shr( Dpnt[ i]， (short) 2) ； Rez=(long) 0 ； for (i=0； i <60； i ++) Rez=L_mac(Rez， Temp[ i]， Temp[ i])； return Rez ； } 相應的線性匯編程序如下: .global _Comp_En ；函數名定義,對c變量前加__Comp_En .cproc Dpnt；函數頭定義,Dpnt是參數 .reg Rez，Rez1，Rez2，I ；寄存器定義,不必考慮實際的寄存器分配 .reg t1，t2，x1，c1，m1，m2 zero Rez zero Rez1 zero Rez2 mv Dpnt，c1 mvk 30，i ；確定循環次數。因為用LDW代替LDH，循環次數減少一半。 loop1 .trip 30 ldw *c1++，x1 shl x1，16，t1 shr t1，2，t1 shr x1，2，t2 ；將兩個循環合在一起,又減少了一半的從內存取數據的時間。 smpyh t1，t1，m1 smpyh t2，t2，m2 sadd Rez1，m1，Rez1 sadd Rez2，m2，Rez2 [ i] sub i，1，i ；循環計數器從30遞減 [ i] b loop1 sadd Rez1，Rez2，Rez .return Rez .endproc 消耗時間(時鐘周期):C語言為32971;線性匯編語言為93。 2.3 使用線性匯編改寫復雜函數中的循環體 當函數的邏輯關系復雜,判斷、跳轉、函數調用情況特別多時,上面方法的效果就會大打折扣。這時可以使用線性匯編將其中的循環部分改寫成一個函數,以優化后的函數調用代替循環部分,而不是優化整個復雜函數。 高速數字信號處理器件的應用范圍越來越廣,特別是在移動通信領域中,軟件無線電、智能天線等新技術的實現都需要強大的實時數字信號處理的支持。 TMS320C6000系列DSP完全可以滿足此類要求。但目前對于并行DSP技術的軟硬件開發還處在摸索階段,如何充分利用高速DSP的資源,是這方面的研究重點。本文研究了最新推出的TMS320C6000的優化策略,從工程和系統的角度總結出一套既能滿足實時性又能保證開發時效性的實用的優化編程方法,以供分饗。 |
