G.723.1標準算法在DSP上的優(yōu)化

1 引言

　　G.723.1是刪組織于1996年推出的一種低碼率的語音編碼算法標準，也是目前該組織頒布的語音壓縮標準中碼率最低的一種標準。G.723.1主要用于對語音及其它多媒體聲音信號的壓縮，目前在一些數(shù)字音視頻傳輸、高質(zhì)量語音壓縮等系統(tǒng)中都得到廣泛應(yīng)用。

　　2 G.723.1算法的復雜度分析

　　將G.723.1移植到TMS320C64xx后，就可借助TI集成開發(fā)工具CCS(Code Composer Studio)的Profile功能來評估其各個子程序或函數(shù)的執(zhí)行運算量，從而把程序的優(yōu)化集中在對程序性能影響最大的代碼上去。

　　通過分析可以看出，在G.723.1的編解碼算法中，碼本搜索所花費的運算量是比較大的，如Find_Best()，F(xiàn)ind_Fcbk()，F(xiàn)ind_Acbk()：另外，在LPC分析和LSP參數(shù)的計算上也有運算量比較大的，如Comp_Lpc()，Lsp_Qnt()，Lsp_Svq()。

　　3 代碼的優(yōu)化

　　代碼優(yōu)化的工作有兩大目的：一是執(zhí)行速度提高，實現(xiàn)實時；二是盡量不擴大程序體積(Code Size)，使之在內(nèi)存允許的范圍內(nèi)。顯然，兩者存在一定的矛盾，當今超大規(guī)模集成電路的發(fā)展使RAM資源不再是系統(tǒng)的瓶頸，因此該部分工作的主要任務(wù)是怎樣提高執(zhí)行速度。代碼的優(yōu)化工作主要在CCS環(huán)境中進行。優(yōu)化的原則是要充分考慮C64xx處理器超長指令字、多個運算單元和深度流水線的結(jié)構(gòu)特點，以及避免過多的讀寫內(nèi)存指令和程序轉(zhuǎn)移指令，充分發(fā)揮其強大的運算能力。具體方法包括(次序有先后)：

　　3．1基本運算集的優(yōu)化

　　G.723.1算法程序是用定點運算完成浮點運算，為了防止定點運算時可能溢出，許多運算需要進行飽和判斷，為此程序?qū)ｉT定義了基本運算集，實現(xiàn)諸如飽和加法、飽和乘法、除法和移位等操作。在程序中這些操作調(diào)用相當頻繁，經(jīng)CCS的profile工具測試，基本運算函數(shù)集的調(diào)用占用了95％以上的CPU時間。因此，我們要從基本運算集的優(yōu)化開始。在熟悉掌握C64xx指令集的前提下，分析基本運算集中各個函數(shù)完成的悉掌握C64xx指令集的前提下，分析基本運算集中各個函數(shù)完成的功能和對全局變量產(chǎn)生的影響，用C64xx指令取而代之或加以改編。其中包括對跳轉(zhuǎn)和流水線的優(yōu)化討論、對乘積的飽和調(diào)整和全局變量OveRFlow的相關(guān)操作。

　　由于基本運算集以函數(shù)形式存在，兩次跳轉(zhuǎn)f函數(shù)的調(diào)用與返回1必不可少，將引起流水線的兩次打斷，表現(xiàn)為12個指令周期的占用。將這嶁基本運算函數(shù)集改成宏的形式，即將基本運算內(nèi)嵌(inline)至lJ調(diào)用程序中，由此町以消除跳轉(zhuǎn)和流水線打斷帶來的指令周期占用，提高執(zhí)行速度。雖然這樣做增加了代碼長度，多占用了一些內(nèi)存，但由于基本運算函數(shù)體積均較小，再經(jīng)過一定的代碼優(yōu)化，在程序體積上的犧牲幾乎町以忽略。

　　基本運算的函數(shù)定義在BASIC．C文件里面，如果能夠?qū)@些簡單甬數(shù)進行內(nèi)聯(lián)指令(intrinsic)的優(yōu)化，就能達到事半功倍的效果。內(nèi)聯(lián)指令是匯編指令的直接映射，具有很高的效率。與此同時帶來的一個問題是溢出保護位Overflow的判斷，這是基本函數(shù)里用來標識溢出的全局變量，它的作用等同于CSR(Control Status Register)寄存器的SAT(Saturation)位，當數(shù)據(jù)溢出時，SAT位被系統(tǒng)自動設(shè)置為1，所以編解碼函數(shù)里對Overflow的判斷可以轉(zhuǎn)化成對SAT位的判斷。引用CSR寄存器時需要在最開始的時候聲明extem cregister volatile ansigned int CSR。

　　C64xx指令提供了飽和乘法指令SMPY，實現(xiàn)1616位的乘法與飽和結(jié)果調(diào)整，其執(zhí)行操作如下：

　　if(cond){

　　if((src 1*src21)!=0x80000000)

　　dst=((src 1*src2)1)；

　　else

　　dst=0x7ffffff；

　　}

　　else

　　nop；

　　將原指令中的乘法指令改為SMPY．就可以完成乘法和飽和調(diào)整兩種計算，這樣可以省去飽和調(diào)整3條指令。與此類似，其它的飽和運算，C64xx都提供了相應(yīng)的指令實現(xiàn)，將普通運算指令替換為飽和運算指令，飽和結(jié)果調(diào)整部分的運算均可以省去。

　　3．2主程序的優(yōu)化

　　主程序的優(yōu)化手段主要采用了以下幾種方法：

　　(1)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)(intrinsics)

　　內(nèi)聯(lián)函數(shù)是可直接映射為C64xx指令的特殊函數(shù)，它在指令前加上_”表示。例如：

　　#define L_add(L_var1，L_var2) _sadd(L_var1，L_var2)

　　#define L_mult(var1，vat2) _smpy(var1，var2)

　　等，基本函數(shù)的內(nèi)聯(lián)優(yōu)化需要對原函數(shù)的定義和內(nèi)聯(lián)指令都比較熟悉。

　　使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)代替相應(yīng)的C語句是一種非常簡便高效的優(yōu)化方法。如上面提到的飽和乘法，在C語句中。我們通常要使用兩個嵌套的條件判斷語句來檢查結(jié)果是否溢出，而指令int_smpy(int a．int b) 則在完成乘b的運算后，再做一次飽和處理，這樣一條DSP指令就可完成C語言中多條語句才能完成的計算，可以節(jié)省很多時鐘周期。

　　(2)循環(huán)展開(loop—unrolling)

　　程序中的有很多的雙重循環(huán)和多暈循環(huán)(比如代數(shù)碼本搜索計算)，由于C64xx優(yōu)化器在優(yōu)化時只在最內(nèi)層循環(huán)中形成一個指令流水(最多可以達到8級流水)，這樣循環(huán)語句就不能充分利用軟件流水線，而且對于內(nèi)部循環(huán)次數(shù)較少的情況，消耗在prolog和eplog上的時鐘周期也不可忽視。針對這種情況，一個有效的辦法就是將雙重或多重循環(huán)展開，降低循環(huán)次數(shù)。這樣雖然代碼長度增加了，但有更多的運算能夠參加到pipeline中。由于減少了流水線排空和提高了功能單元的利用率，程序執(zhí)行速度會大大提高。

　　(3)減少分支和調(diào)用指令，減少判斷指令

　　程序中的分支、調(diào)用以及判斷指令會引起程序的跳轉(zhuǎn)，而每個跳轉(zhuǎn)指令都有5個延遲間隙。因此延長了程序執(zhí)行時間；另外，循環(huán)內(nèi)跳轉(zhuǎn)也會使軟件流水受到阻塞，降低了代碼執(zhí)行效率。優(yōu)化中，可以使用內(nèi)嵌、合并判斷語句來減少判斷次數(shù)或用邏輯指令替代判斷的方法盡可能的消除中斷流水線指令帶來的影響。

　　(4)使用字或雙字存取和計算

　　C64xx系列DSP是32位CPU，當16位數(shù)據(jù)在內(nèi)存中連續(xù)存放時，可利用uint_amem4(void*ptr)或double _amemd8 (void*ptr)指令進行字或雙字數(shù)據(jù)的讀取或存貯。這樣每次可同時存取2個或4個16位數(shù)據(jù)，由于從內(nèi)存執(zhí)行取數(shù)操作需要4個delay，所以減少存取次數(shù)可以節(jié)省大量的時鐘同期；同時，可利用C64xx指令集中特有的打包指令_pack2(unsigned a，unsigned b)，_packh2(unsigned a，unsigned b)等將兩個16位數(shù)打包成一個32位數(shù)，在進行乘、加計算時則利用_add 2(int a，int b)、_mpy2(int a，int b)同時完成兩組16位數(shù)的加法和乘法，效率比單純16位數(shù)的加法和乘法提高一倍。