《基于DSP的软件流水优化.docVIP

基于DSP的软件流水优化 摘 要：本文通过研究软件流水相关技术，结合TI DSP C6000系列DSP的硬件特性，探讨了DSP软件流水的相关优化方法。通过性能比较，说明这些方法具有普遍的应用价值。 关键词：DSP 软件流水 循环展开 线性汇编 1. 引言 数字信号处理器DSP(Digital Signal Processing)是一种运算密集型处理器，采用哈佛结构设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在不同的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。DSP芯片内部嵌有硬件乘法器、累加器等功能单元，采用流水线结构，具有良好的并行特性。然而，在DSP算法中存在大量的循环操作，要提高系统的并行性，就必须发掘循环中各循环体之间的指令级并行性。目前，在这方面己经提出的技术有循环展开和软件流水等。其中，循环展开是通过多次复制循环体和调整循环中止代码，从而优化ILP和增大指令调度的作用范围。这种方法有两个缺点：(1)指令调度不能越过新的循环体，在产生的代码中就会有过多的注满与清空流水线的部分，效率不高；(2)展开次数不易确定，太少并行度不够，太多会导致代码长度过大。而软件流水则避免了这些问题[1]。本文将通过研究软件流水相关技术，从代码和编译器的角度提出DSP软件流水的一些优化方法。 2. 软件流水技术 软件流水是一种重要的指令调度技术，它通过编排循环指令，重叠地执行不同的循环体来提高ILP[2]。此法主要应用于具有多个功能部件的并行处理器，例如VLIW(Very Long Instruction Word)、超标量等多发射体系结构处理器，以及可以同时执行整数和浮点指令、但不同时对这两种指令初始化的单发射体系结构。 目前，针对软件流水己经提出了一系列的调度算法，主要包括模调度(Modulo Scheduling)、核心识别(Kernel Recognition)及增强流水线调度(Enhanced Pipeline Scheduling，EPS)等三类[1]。其中，模调度是其他大部分软件流水调度算法的基础。核心识别方法是循环展开与无环调度的延伸。它将循环看作是完全展开的，所有循环体中的操作均参与调度，如果在调度的过程中，系统两次到达某个完全相同的状态，则可以确定其后的调度将是前面模式的重复，那么这两点之间的代码，就构成了新的循环体(即循环核)。EPS方法从全局代码移动的角度来看待软件流水问题。复杂的软件流水问题被简化为全局无环调度的问题，因而大大降低了实现的复杂性。这一方法主要的缺点是不能处理多周期操作，修改调度好的显式并行代码是很困难的，可见的(多周期)延迟使得插入和删除指令都成问题。EPS方法假设所有操作都是单周期操作，实际上是绕过了这一问题，由于很多操作难以在单个周期内完成，因而这一缺点影响了EPS方法的实用性。 3. DSP软件流水优化 在过去的几年中,数字信号处理器发展迅速，由于对提高性能及解决大范围应用程序的持续需要，许多厂商推出了基于VLIW的DSP处理机，为了充分利用这些VLIW DSP处理机的指令级并行性，DSP程序一般都要经过软件流水的优化，而且编译器总是力争使用软件流水技术[]。本节将结合TI DSP C6000器件特性，探讨其软件流水的优化方法。 3.1 DSP软件流水代码优化 由于代码循环出现在关键性能区域，因此为改进代码性能，需要对DSP软件流水进行优化[2]。本节将介绍一些主要的软件流水代码优化方法。 循环计数器用来保存当前已经循环的次数，当循环计数器中的值等于一个循环的总次数时，循环就结束。最有效的软件流水循环一般按递减形式对循环进行计数。通常即使源代码中没有按这种形式编写，编译器也能转换成递减形式。 当某些编译器不能肯定最小循环迭代次数大于最小安全循环迭代次数时，编译器就会产生两种执行循环程序的输出版本：(1)一个不用软件流水的版本，在循环迭代次数小于最小安全循环迭代次数时运行；(2)一个用软件流水的版本，在循环迭代次数大于或等于最小安全循环迭代次数时运行。冗余循环产生的存在使代码尺寸增加，也对代码性能有些影响。可以通过设置编译器选项-ms0或者ms1，只产生一种版本的循环。也可以通过MUST_ITERATE伪指令或者-pm选项来帮助编译器确定最小循环次数。 3.1 循环展开 循环展开有两种形式：(1)把内层循环全部展开；(2) 把小循环的迭代展开，使得新循环体内出现多次重复的旧迭代，从而减小循环次数。循环展开后，通过对新循环体的指令进行软件流水，以此增加并行执行的指令数。有三种使循环展开的方法：(1)编译器自动执行循环展开；(2)在程序中使用UNROLL伪指令建议 编译器做循环展开；(3)用户自己在C/C++代码中展开。 -mh选项有助于编译器消除软件流水循环的填充与排空，间接地减