基于XC166單片機(jī)的DSP優(yōu)化方法

引言

與專用數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）相比，英飛凌的c166單片機(jī)的dsp性能相當(dāng)差，為了提高c166單片機(jī)的dsp處理能力，英飛凌推出了新的16位單片機(jī)系列xc166，xc166系列單片機(jī)與c166單片機(jī)的最主要的區(qū)別在于，xc166中的cpu核加入了乘法－累加（mac）單元，用于提高dsp的功能。mac單元在xc166中是以一個(gè)算法處理單元出現(xiàn)的，類似于cpu中的算術(shù)邏輯（alu）單元。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持xc166與c166的兼容性。

mac單元有自己的尋址模式和指令集，mac指令集是專為開發(fā)dsp程序而設(shè)計(jì)的。獨(dú)立的尋址模式是為了保證mas指令能在1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成對(duì)2個(gè)操作數(shù)的間接尋址。與xc166中的一般尋址模式不同，mac尋址模式有2個(gè)地址指針（idx0/idx1）及2對(duì)地址偏移指針（qx0/qx1，qr0/qr1）用于對(duì)雙操作數(shù)尋址。另外，單機(jī)器周期的mac指令還要求mac單元具有harvard結(jié)構(gòu)，也即代碼與數(shù)據(jù)獨(dú)立尋址。但英飛凌的16位單片機(jī)的存儲(chǔ)器地址都是線性的，采用的是von neumann結(jié)構(gòu)，代碼與數(shù)據(jù)在一個(gè)線性存儲(chǔ)空間。為了在線性空間中實(shí)現(xiàn)harvard結(jié)構(gòu)，xc166專門把mac指令的兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)定義在dpram中，所以，在使用mac單元時(shí)要特別注意，有些操作數(shù)只能存在dpram中，否則，指令無法正常運(yùn)行。目前，xc166系列單片機(jī)配有2kb的dpram，從地址0xf600到0xfdff。

由于硬件的要求，xc166單片機(jī)的指令流水線存在著不可避免的阻塞現(xiàn)象，mac單元指令也一樣。盡管在硬件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采用了專用模塊來減少阻塞，但有些阻塞是不可避免的，從程序優(yōu)化的角度來說，可以充分利用指令流水線阻塞現(xiàn)象，通過重排指令流水線上的指令，消除阻塞，以使得程序的運(yùn)行時(shí)間縮短，從而達(dá)到優(yōu)化的目的。

通常dsp優(yōu)化方法可以分為兩類：一類是與芯片相關(guān)的，另一類是與芯片無關(guān)的。與芯片無關(guān)的優(yōu)化方法獨(dú)立于單片機(jī)硬件，適用于所有單片機(jī)及dsp處理器，下面根據(jù)使用xc166單片機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一些優(yōu)化dsp程序的方法。

1 通用優(yōu)化方法

1.1 數(shù)據(jù)組處理

數(shù)據(jù)組處理的基本思想是通過成組的處理數(shù)據(jù)，以節(jié)約每次調(diào)用處理子程序所需的附加指令。數(shù)據(jù)組處理可以在c語言或匯編語言程序中實(shí)現(xiàn)。一般而言，對(duì)于開發(fā)dsp程序，最常用的程序語言為c和匯編。下面分別介紹如何在c和匯編程序中使用數(shù)據(jù)組處理優(yōu)化方法。

（1）c程序

在c環(huán)境中開發(fā)dsp程序，通常算法本身由匯編編寫，以便優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。c主程序通過調(diào)用匯編實(shí)現(xiàn)的核心處理子程序來完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理。核心處理子程序有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是數(shù)組處理，另一種是單值處理，假設(shè)單值處理子程序的核心部分與數(shù)組處理子程序的核心部分所需機(jī)器周期相同，并且調(diào)用子程序的前期處理需m個(gè)機(jī)器周期，后期處理需要n個(gè)機(jī)器周期，如果子程序被調(diào)用k次，那么理想情況下，數(shù)據(jù)組處理可以節(jié)約（k－1）（m＋n）個(gè)機(jī)器周期，如圖1所示。

（2）匯編程序

在匯編程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組處理有多種方法，比如數(shù)組操作，數(shù)組讀入/寫出等。

1、數(shù)組操作。數(shù)組操作是將多個(gè)不同的短操作數(shù)裝入一個(gè)長(zhǎng)位數(shù)的寄存器，然后進(jìn)行運(yùn)算操作。比如，1個(gè)16位的寄存器可以裝入2個(gè)8位的來自a/d轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。下面舉例說明數(shù)據(jù)組處理在匯編程序中的應(yīng)用。

2、數(shù)組讀入寫出。這種方法是將多個(gè)短操作數(shù)合并為一個(gè)長(zhǎng)操作數(shù)后進(jìn)行讀入/寫出操作，如上面例子中的輸入/輸出部分。
1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交織
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交織的目的是通過重新排列數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的位置，以使得程序讀寫數(shù)據(jù)的時(shí)間最短，比如有2個(gè)8位的復(fù)數(shù)x和y，一般情況下，復(fù)數(shù)將按下列順序存入內(nèi)存：real（x），image（x），real（y），image（y）。但如果想使得讀取復(fù)數(shù)的實(shí)部更容易，可以把數(shù)據(jù)重新排列如下：real（x），real（y），image（x），image（y），如圖2所示。

1.3 循環(huán)展開

循環(huán)展開是一種非常傳統(tǒng)的程序優(yōu)化方法，可以用于所有程序優(yōu)化中，循環(huán)展開的目的是通過重復(fù)循環(huán)中的程序，減少循環(huán)次數(shù)，從而減少循環(huán)判斷指令的執(zhí)行次數(shù)，以此來降低程序執(zhí)行所需的機(jī)器周期，下面舉一個(gè)例子來說明循環(huán)展開在xc164cs單片機(jī)中的應(yīng)用。


圖3微循環(huán)展開程序流程圖。

1.4 指令流水線重排

指令流水線重排的意思是通過軟件程序中的指令重排來改變指令流水線，以此來排除由于硬件引起的指令堵塞，從而加快程序的運(yùn)行時(shí)間。這種優(yōu)化操作通常用在匯編程序中，指令流水線重排是一個(gè)一般的優(yōu)化原理，把這個(gè)原理用于不同類型的單片機(jī)可以導(dǎo)出不同的與單片機(jī)硬件相關(guān)的優(yōu)化方法。下面介紹的基于xc166單片機(jī)的優(yōu)化方法主要是應(yīng)用這個(gè)優(yōu)化原理得到的。

2 與芯片相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)

2.1 xc166指令流水線

xc166單片機(jī)指令流水線共有7級(jí)，前兩級(jí)為取指令流水線，后5級(jí)為執(zhí)行流水線，所有指令都必須經(jīng)過5級(jí)執(zhí)行流水線的每一級(jí)。

第1級(jí)--指令預(yù)取。這一級(jí)根據(jù)預(yù)測(cè)順序，把指令從程序管理單元（pmu）取出，取出的指令在跳轉(zhuǎn)檢測(cè)單元進(jìn)行前期處理，以檢測(cè)是否有跳轉(zhuǎn)，預(yù)測(cè)邏輯決定是否接收轉(zhuǎn)移。

第2級(jí)--取指令。根據(jù)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)規(guī)則計(jì)算出下一條被取指令的指針。對(duì)于零機(jī)器周期轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移合并單元先預(yù)處理，并將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移與正在執(zhí)行的指令結(jié)合起來。預(yù)取出的指令存在fifo緩存器中，同時(shí)，下一條要執(zhí)行的指令輸出fifo緩存器，進(jìn)入執(zhí)行流水線。

第3級(jí)--譯碼。指令被譯碼，如需要，在間接尋址模式中，寄存器文件將被訪問，以讀取通用寄存器gpr。

第4級(jí)--尋址。計(jì)算所有操作數(shù)地址，對(duì)于所有隱含訪問系統(tǒng)堆棧的指令，堆棧指針遞減或增加。

第5級(jí)--存儲(chǔ)。所有需要的操作數(shù)被取出。

第6級(jí)--執(zhí)行。使用已取出的操作數(shù)進(jìn)行mac單元操作。對(duì)于非mac單元指令，在這一級(jí)中，指令將由算術(shù)邏輯單元（alu）執(zhí)行。條件標(biāo)志被更新，執(zhí)行所有直接對(duì)cpu特殊功能寄存器cpu_sfrs進(jìn)行寫操作的指令，在間接尋址時(shí)，作為地址指針的gprs自動(dòng)遞減或增加。

第7級(jí)--寫回。所有外部操作數(shù)以及剩余的，在內(nèi)部dpram空間內(nèi)的操作器被寫回。定位在內(nèi)部sram中的操作數(shù)進(jìn)入寫回緩沖區(qū)。

下面給出一個(gè)具體例子：
上面程序的指令流水線如表1所列，（tn表示機(jī)器周期）

2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性排除

在xc166的cpu中，由于指令流水線的設(shè)計(jì)要求，在使用通用寄存器（gprs）的指令之間存在一些數(shù)據(jù)相互依賴的情況，盡管xc166單片機(jī)已經(jīng)使用了專用硬件來檢測(cè)及解決數(shù)據(jù)相關(guān)性，但仍然有一些不可避免的數(shù)據(jù)相關(guān)性。在編程時(shí)，可以充分利用數(shù)據(jù)相關(guān)性來達(dá)到程序優(yōu)化的目的，比如，在用gpr作為間接尋址指針時(shí)，如果pgr中的地址值被改變，間接尋址操作必須等待2個(gè)機(jī)器指令周期后，才能使用gpr作為地址指針尋址。在這種情況下，可以在這2個(gè)等待機(jī)器周期內(nèi)插入2條其他單機(jī)器周期指令，充分利用這2個(gè)周期的等待時(shí)間以便程序更優(yōu)化。

下面舉一個(gè)例子：


另外一種數(shù)據(jù)相關(guān)性發(fā)生在間接尋址訪問內(nèi)存時(shí)，xc166單片機(jī)中的地址產(chǎn)生單元使用推測(cè)原理，在地址譯碼前，數(shù)據(jù)的讀取路經(jīng)將根據(jù)歷史記錄表中選出；在歷史記錄表中，每個(gè)gpr都有一個(gè)入口。這些入口記錄了用相應(yīng)gpr所訪問的內(nèi)存空間情況。如果這種預(yù)測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤，讀取操作必須重新開始。
因此，如果用gpr作為間接尋址，gpr最好能指向相同內(nèi)存空間。如果更新后的gpr指向不同內(nèi)存空間，下一個(gè)操作將出現(xiàn)訪問錯(cuò)誤，讀操作必須重復(fù)，這就產(chǎn)生了指令流水線堵塞。例如：

2.3 內(nèi)存帶寬沖突排除

如果在流水線上的指令在同一時(shí)間訪問同一內(nèi)存，就會(huì)發(fā)生內(nèi)存帶寬沖突，mac單元的coxxx指令是特別為實(shí)現(xiàn)dsp設(shè)計(jì)的。為了避免在dpram中發(fā)生帶寬沖突，coxxx指令的其中一個(gè)操作數(shù)必須放在sram中，以保證在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行mac單元指令。例如：

2.4 指令重排

在用mac單元指令編程時(shí)，經(jīng)常要改變mac單元的特殊功能寄存器，比如idx0，idx1、qx0、qx1、qr0以及qr1等，在xc166單片機(jī)中，有一些指令將會(huì)阻塞在譯碼階段，如果這些指令正好在一條修改特殊功能寄存器（sfr）指令之后執(zhí)行，這種阻塞將引起3個(gè)機(jī)器周期的延時(shí)。

這些指令包括：

◇使用長(zhǎng)地址模式的指令；
◇使用間接尋址的指令，除jmps和calli外；
◇所有mac單元指令（coxxx指令）。
為了避免指令阻塞，在使用上述指令時(shí)，如有阻塞情況發(fā)生，應(yīng)該重新重排指令，以消除延時(shí)，例如：

3 結(jié)論

用于英飛凌xc166單片機(jī)的dsp優(yōu)化技術(shù)分為兩類：與硬件相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)和獨(dú)立于硬件的優(yōu)化技術(shù)。獨(dú)立于硬件的優(yōu)化技術(shù)也可以用于其他的單片機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理器。