利用C和匯編語言混合編程實(shí)現(xiàn)DSP軟件設(shè)計(jì)

編譯器內(nèi)部函數(shù)(Compiler intrinsics)：是指能夠使用專門的宏或函數(shù)調(diào)用觸發(fā)的內(nèi)建編譯器功能總稱。沒有內(nèi)部函數(shù)支持的編譯器必須調(diào)用用戶定義的函數(shù)，這樣做可能會(huì)令用戶定義函數(shù)可能會(huì)在一個(gè)環(huán)路里產(chǎn)生函數(shù)調(diào)用和返回(見圖4)，從而產(chǎn)生巨大的開銷。

圖4：ETSI的mult_r(乘法和取整)基本操作的C代碼實(shí)現(xiàn)(左)和對(duì)應(yīng)的由CEVA-TeakLite-III編譯器生成的匯編代碼(右)。

匯編內(nèi)部函數(shù)：是將匯編代碼內(nèi)聯(lián)進(jìn)C代碼的一種先進(jìn)方法，下文將有詳細(xì)介紹。

把匯編指令當(dāng)作C語句一樣來編寫

內(nèi)聯(lián)匯編功能具有顯著的缺點(diǎn)。它會(huì)破壞各種編譯器優(yōu)化操作，因?yàn)榫幾g器不了解內(nèi)聯(lián)代碼的內(nèi)容，會(huì)使用最壞假設(shè)；以及它可能迫使編程人員處理底層問題，如寄存器分配和指令調(diào)度。

匯編內(nèi)部函數(shù)可以幫助編程人員實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)匯編代碼，并且不存在這些缺點(diǎn)。從編程人員的角度看，匯編內(nèi)部函數(shù)就像是C語言宏或函數(shù)。它們接收C語言變量，返回C語言輸出結(jié)果，同時(shí)表現(xiàn)為單個(gè)匯編指令。由于涉及該功能的所有代碼都在C語言等級(jí)，因此編程人員不必?fù)?dān)心寄存器分配、指令調(diào)度和其它底層問題。匯編內(nèi)部函數(shù)不僅不會(huì)妨礙編譯器優(yōu)化操作，還會(huì)參與優(yōu)化過程，就像它們是編譯器正常產(chǎn)生的匯編指令一樣。這些特征使得匯編內(nèi)部函數(shù)的功能非常強(qiáng)大。

利用匯編內(nèi)部函數(shù)，編程人員可以從編譯器不可能產(chǎn)生的獨(dú)特匯編指令中受益。例如，CEVA-X1641的bitrev(位反向)指令就是為FFT等算法定制的。由于編譯器不太可能把一個(gè)程序看作一個(gè)FFT并使用bitrev指令，因此編程人員可以完全把bitrev匯編內(nèi)部功能嵌入到C代碼中。結(jié)合對(duì)應(yīng)用的透徹了解，編程人員還可以使用C應(yīng)用程序的性能決定段里的精確序列匯編內(nèi)部函數(shù)，從而能夠確保編譯器生成的代碼效率就像手工編寫的一樣高。

圖5是CEVA-X1641編譯器與匯編內(nèi)部函數(shù)一起使用的例子。匯編內(nèi)部函數(shù)還受益于由CEVA-X1641編譯器處理的問題所決定的機(jī)器，如寄存器分配、指令調(diào)度和硬件單元分配。

圖5：CEVA-X1641編譯器支持的匯編內(nèi)部函數(shù)的使用。

調(diào)試混合代碼的應(yīng)用程序

匯編代碼的調(diào)試需要對(duì)延遲和存儲(chǔ)器對(duì)齊限制等架構(gòu)和機(jī)器級(jí)問題有深入的了解。只是簡單地把C代碼和匯編代碼放在一起會(huì)使事情更麻煩，因?yàn)榫幊倘藛T現(xiàn)在還必須調(diào)試C代碼和匯編代碼之間的連接。

調(diào)試混合代碼應(yīng)用程序的第一步就是分隔問題。假設(shè)保持匯編代碼的C語言實(shí)現(xiàn)不變以及C語言實(shí)現(xiàn)方案工作正常，那么將匯編函數(shù)轉(zhuǎn)換成C語言實(shí)現(xiàn)并重新測試應(yīng)用程序就相對(duì)比較容易。為了迅速檢測出問題，編程人員可以在每一步把受懷疑函數(shù)的一半轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的C語言實(shí)現(xiàn)方案。

一旦有問題的匯編函數(shù)被確定，它就應(yīng)該同時(shí)作為獨(dú)立的匯編問題和C與匯編的連接問題加以分析。調(diào)試獨(dú)立的匯編問題對(duì)匯編編程人員來說十分簡單明了，但C與匯編的連接問題就有點(diǎn)麻煩。在考慮匯編函數(shù)本身時(shí)，C與匯編的連接問題是不可見的，這與獨(dú)立的匯編問題有所不同。為了找出這些問題，編程人員必須檢查編譯器的約定，比如調(diào)用約定和寄存器使用約定。

編程人員還必須檢查編譯器假設(shè)，比如匯編指令的行蹤。為了節(jié)省調(diào)試時(shí)間，編程人員應(yīng)該在第一次實(shí)現(xiàn)匯編函數(shù)時(shí)驗(yàn)證是否遵循所有的編譯器約定和假設(shè)。

案例研究：H.264視頻編碼器和AMR-NB

本文討論的技術(shù)和方法已被CEVA公司用于各種各樣的應(yīng)用，包括視頻編解碼器、音頻編解碼器、聲音合成器和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。而本文所述的功能在這些應(yīng)用中都可以顯著提高性能。H.264視頻編碼器是一個(gè)很好的研究案例。它在處理能力及其它資源方面要求非常嚴(yán)格，尤其是相比語音編解碼器等其它類型的編解碼器而言。

CEVA公司的CEVA-X16xx高端DSP內(nèi)核系列及其MM2000多媒體平臺(tái)可以為這種編碼器提供所需的處理能力。先用高級(jí)跟蹤技術(shù)確定這種編碼器的關(guān)鍵函數(shù)，然后逐步對(duì)之進(jìn)行優(yōu)化。首先，利用匯編內(nèi)部函數(shù)在C語言級(jí)對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化。然后，在匯編語言級(jí)對(duì)編譯器提供的匯編代碼作進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6展示了通過對(duì)這種編碼器的關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化所獲得的性能提高。只有最后一個(gè)優(yōu)化階段涉及到純匯編編程，所有其它階段都基于帶有匯編內(nèi)部函數(shù)的C代碼。這些匯編內(nèi)部函數(shù)主要用于SIMD操作，如avg_acW_acX_acZ_4b。這條指令對(duì)8個(gè)輸入字節(jié)取平均，產(chǎn)生4字節(jié)結(jié)果。這種SIMD操作對(duì)執(zhí)行大量字節(jié)級(jí)計(jì)算的視頻編解碼器非常有用。

圖6：對(duì)H.264編碼器的關(guān)鍵函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提升性能。