嵌入式系統(tǒng)是指操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機(jī)硬件系統(tǒng)之中。簡單的說就是系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)的硬件一體化，類似與BIOS的工作方式。具有軟件代碼小，高度自動化，響應(yīng)速度快等特點。特別適合于要求實時的和多任務(wù)的體系。本文分析了TMS320C6000的硬件設(shè)計和指令系統(tǒng)的特點，結(jié)合應(yīng)用開發(fā)過程中遇到的問題，對這種高速并行DSP器件開發(fā)方法進(jìn)行了總結(jié)。

　　1 TMS320C6000的硬件設(shè)計與指令系統(tǒng)

　　TMS320C6000系列DSP是TI公司推出的一種并行處理的數(shù)字信號處理器。它是基于TI的VLIW技術(shù)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可以采用50MHz,經(jīng)內(nèi)部4倍頻后升至200MHz,每個時鐘周期多可以并行執(zhí)行8條指令，從而可以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

　　TMS320C6000 CPU的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　TMS320C6000的CPU有兩個數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)完成一定的算術(shù)或者邏輯運行。A、B兩通道的寄存器并不是完全共享，只能通過TM320C6000提供的兩個交換通道1X、2X,才能實現(xiàn)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(shù)。

　　TMS320C6000的地址線為32位，存儲器尋址空間是4G。C6201片內(nèi)集成有1Mbit SRAM——512Kbit的程序存儲器（根據(jù)需要可全部配置成Cache）和512Kbit的數(shù)據(jù)存儲器。通過片內(nèi)的程序存儲空間控制器，CPU可以取出256bit,即多可以取出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(shè)備提供了無縫接口。外圍設(shè)備可以是同步動態(tài)存儲器（SDRAM）、同步突發(fā)靜態(tài)存儲器（SBSRAM）、靜態(tài)存儲器（SRAM）、只讀存儲器（ROM），也可以是FIFO寄存器。

　　DSP器件一般都帶有DMA控制器，可以在CPU操作的后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TMS320C6201的DMA控制器有4個獨立的可編程通道，可以同時進(jìn)行四個不同的DMA操作，每個通道的優(yōu)先級可以通過編程設(shè)定。每個通道可以根據(jù)需要傳輸8/16/32bit的數(shù)據(jù)，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(yīng)主機(jī)通過HPI口發(fā)來的請求。

　　1.2 指令系統(tǒng)

　　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，怕以C67xx的指令集中有一些指令只能用于浮點運算。TMS320C6201CPU的設(shè)計采用了類似于RISC的結(jié)構(gòu)，指令集簡單、運算速度快。8個功能單元負(fù)責(zé)不同功能的運算，指令和功能單元之間存在一個映射關(guān)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指令集針對數(shù)字信號處理算法提供了一引起特殊指令：為復(fù)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中多可以有8條指令同時并行執(zhí)行；所有指令均可條件執(zhí)行。以上所有特點提高了指令的執(zhí)行效率、減小了代碼長度、大大減少了因跳轉(zhuǎn)引起的開銷、提高了編碼效率。

　　流水線操作是DSP實現(xiàn)高速度、高效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。C6000的流水線分為三個階段：取指、解碼、執(zhí)行、總共11級。和以前的C3x、C54x相比，有非常大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)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(tǒng)流水線結(jié)構(gòu)在取指、數(shù)據(jù)訪問和乘法操作上的瓶頸。其中取指、數(shù)據(jù)訪問分為多個階段，使得C6000可以高速地訪問存儲空是。

　　2 優(yōu)化編程的幾個方法

　　C6000在設(shè)計時采用了一種類RISC機(jī)的結(jié)構(gòu)，運算速率特別快，但是指令集卻非常簡單。象DSP算法中常用的乘加指令、循環(huán)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(huán)體，所以它的程序設(shè)計一般比較復(fù)雜。要想充分發(fā)揮C6000的運算能力，必須從它的硬件結(jié)構(gòu)出去，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(zhí)行。

　　線性匯編語言的指令系統(tǒng)和匯編語言的指令系統(tǒng)完全相同，但是它有自己的匯編優(yōu)化器指令系統(tǒng)，用于和匯編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，完全可以按照語言的方式進(jìn)行編寫。另外計數(shù)順只能使用減計數(shù)，如果使用加計數(shù)，優(yōu)化器將不能工作等等。但總的說來，它的代碼效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于語言，而且開發(fā)難度和開發(fā)周期比匯編語言要小得多。

　　在實際開發(fā)過程中需要具體情況具體分析，選擇一種高效、快捷的開發(fā)方法。以下結(jié)合應(yīng)用開發(fā)中的幾個模塊來簡述我們使用的優(yōu)化方法。

　　2.1 使用匯編語言進(jìn)行

　　使用匯編語言進(jìn)行并行編程難度比較大。但在有些情況下，程序中數(shù)據(jù)有非常強的承接關(guān)系，并且該程序體邏輯關(guān)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(xiàn)，效率會更高。另外，有些使用C語言比較難實現(xiàn)的運算函數(shù)，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(xiàn)。

　　使用匯編語言進(jìn)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(jié)果。C6000指令集中有延遲的指令如表1所示。

表1 C6000的有延遲指令

　　例1 32位歸一化函數(shù)morm_1（）

　　short morm_1（long L_var1）

　　{short var_out;

　　if （L_var1= = 0L）{

　　var_out = （short）0;

　　}

　　else {

　　if （L_var1= = （logn）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(jìn)行優(yōu)化；

　　.global norm_1

　　_norm1:

　　B B3

　　CMPEQ 0,A4,B0

　　[!B0] NORM A4,A4

　　NOP 3

　　消耗時間（時鐘周期）：C語言norm_1（）為723;匯編語言為11。

　　2.2 使用線性匯編語言重寫整個函數(shù)

　　對于某些以循環(huán)體為主的函數(shù)可以使用線性匯編語言重寫整個函數(shù)。使用匯編優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)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(shù)，其中包含兩個單循環(huán)體。進(jìn)行優(yōu)化時，首先要確定循環(huán)的次數(shù)。其次盡量減少數(shù)據(jù)存取次數(shù)。仔細(xì)觀察C代碼，會發(fā)現(xiàn)兩次循環(huán)次數(shù)相同。第二個循環(huán)要用到個循環(huán)的結(jié)果，因此可以將兩個循環(huán)合并在一起，這樣就避免了在第二個循環(huán)中再從存儲器中取結(jié)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(yīng)的線性匯編程序如下：

　　.global _Comp_En ;函數(shù)名定義，對c變量前加_

　　_Comp_En .cproc Dpnt;函數(shù)頭定義，Dpnt是參數(shù)

　　.reg Rez,Rez1,Rez2,1 ;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(huán)次數(shù)。因為用LDW代替LDH,循五環(huán)次數(shù)減少一半。

　　loop1 .trip 30

　　ldw *c1++,x1

　　sh1 x1,16,t1

　　shr t1,2,t1

　　shr x1,2,t2 ;將兩個循環(huán)合在一起，又減少了一半的從內(nèi)存取數(shù)據(jù)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(huán)計數(shù)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(fù)雜函數(shù)中的循環(huán)體

　　當(dāng)函數(shù)的邏輯關(guān)系復(fù)雜，判斷、跳轉(zhuǎn)、函數(shù)調(diào)用情況特別多時，上面方法的效果就會在打折扣。這時可以使用線性匯編將其中的循環(huán)部分改寫成一個函數(shù)，以優(yōu)化后的函數(shù)調(diào)用代替環(huán)部分，而不是優(yōu)化整個復(fù)雜函數(shù)。

　　高速數(shù)字信號處理器件的應(yīng)用范圍越來越廣，特別是在移動通信領(lǐng)域中，軟件無線電、智能天線等新技術(shù)的實都需要強大的實時數(shù)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(shù)的軟硬件開發(fā)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。本文研究了推出的TMS320C6000的優(yōu)化策略，從工程和系統(tǒng)的角度總結(jié)出一套既能滿足實時性又能保證開發(fā)時效性的實用的優(yōu)化編程方法，以供分饗。