基于XC166单片机的DSP优化方法

引言
          与专用数字信号处理器（DSP）相比，英飞凌的C166单片机的DSP性能相当差，为了提高C166单片机的DSP处理能力，英飞凌推出了新的16位单片机系列XC166，XC166系列单片机与C166单片机的最主要的区别在于，XC166中的CPU核加入了乘法－累加（MAC）单元，用于提高DSP的功能。MAC单元在XC166中是以一个算法处理单元出现的，类似于CPU中的算术逻辑（ALU）单元。这种结构的优点是可以保持XC166与C166的兼容性。
          MAC单元有自己的寻址模式和指令集，MAC指令集是专为开发DSP程序而设计的。独立的寻址模式是为了保证MAS指令能在1个机器周期内完成对2个操作数的间接寻址。与XC166中的一般寻址模式不同，MAC寻址模式有2个地址指针（IDX0/IDX1）及2对地址偏移指针（QX0/QX1，QR0/QR1）用于对双操作数寻址。另外，单机器周期的MAC指令还要求MAC单元具有Harvard结构，也即代码与数据独立寻址。但英飞凌的16位单片机的存储器地址都是线性的，采用的是Von Neumann结构，代码与数据在一个线性存储空间。为了在线性空间中实现Harvard结构，XC166专门把MAC指令的两个操作数中的一个定义在DPRAM中，所以，在使用MAC单元时要特别注意，有些操作数只能存在DPRAM中，否则，指令无法正常运行。目前，XC166系列单片机配有2KB的DPRAM，从地址0xF600到0xFDFF。
          由于硬件的要求，XC166单片机的指令流水线存在着不可避免的阻塞现象，MAC单元指令也一样。尽管在硬件设计时已经采用了专用模块来减少阻塞，但有些阻塞是不可避免的，从程序优化的角度来说，可以充分利用指令流水线阻塞现象，通过重排指令流水线上的指令，消除阻塞，以使得程序的运行时间缩短，从而达到优化的目的。
          通常DSP优化方法可以分为两类：一类是与芯片相关的，另一类是与芯片无关的。与芯片无关的优化方法独立于单片机硬件，适用于所有单片机及DSP处理器，下面根据使用XC166单片机的经验总结一些优化DSP程序的方法。
          1 通用优化方法
          1.1 数据组处理
          数据组处理的基本思想是通过成组的处理数据，以节约每次调用处理子程序所需的附加指令。数据组处理可以在C语言或汇编语言程序中实现。一般而言，对于开发DSP程序，最常用的程序语言为C和汇编。下面分别介绍如何在C和汇编程序中使用数据组处理优化方法。
          （1）C程序
          在C环境中开发DSP程序，通常算法本身由汇编编写，以便优化实现。C主程序通过调用汇编实现的核心处理子程序来完成对数据的处理。核心处理子程序有两种实现方法，一种是数组处理，另一种是单值处理，假设单值处理子程序的核心部分与数组处理子程序的核心部分所需机器周期相同，并且调用子程序的前期处理需M个机器周期，后期处理需要N个机器周期，如果子程序被调用K次，那么理想情况下，数据组处理可以节约（K－1）（M＋N）个机器周期，如图1所示。
                                
  
   
          （2）汇编程序
          在汇编程序中实现数据组处理有多种方法，比如数组操作，数组读入/写出等。
          1、数组操作。数组操作是将多个不同的短操作数装入一个长位数的寄存器，然后进行运算操作。比如，1个16位的寄存器可以装入2个8位的来自A/D转换器的数据。下面举例说明数据组处理在汇编程序中的应用。

      

        2、数组读入写出。这种方法是将多个短操作数合并为一个长操作数后进行读入/写出操作，如上面例子中的输入/输出部分。

       1.2 数据存储器交织

        数据存储器交织的目的是通过重新排列数据在存储器中的位置，以使得程序读写数据的时间最短，比如有2个8位的复数x和y，一般情况下，复数将按下列顺序存入内存：real（x），image（x），real（y），image（y）。但如果想使得读取复数的实部更容易，可以把数据重新排列如下：real（x），real（y），image（x），image（y），如图2所示。
   
                             
  
          1.3 循环展开
          循环展开是一种非常传统的程序优化方法，可以用于所有程序优化中，循环展开的目的是通过重复循环中的程序，减少循环次数，从而减少循环判断指令的执行次数，以此来降低程序执行所需的机器周期，下面举一个例子来说明循环展开在XC164CS单片机中的应用。

  
   
  
          1.4 指令流水线重排      
          指令流水线重排的意思是通过软件程序中的指令重排来改变指令流水线，以此来排除由于硬件引起的指令堵塞，从而加快程序的运行时间。这种优化操作通常用在汇编程序中，指令流水线重排是一个一般的优化原理，把这个原理用于不同类型的单片机可以导出不同的与单片机硬件相关的优化方法。下面介绍的基于XC166单片机的优化方法主要是应用这个优化原理得到的。
          2 与芯片相关的优化技术
          2.1 XC166指令流水线
          XC166单片机指令流水线共有7级，前两级为取指令流水线，后5级为执行流水线，所有指令都必须经过5级执行流水线的每一级。
          第1级--指令预取。这一级根据预测顺序，把指令从程序管理单元（PMU）取出，取出的指令在跳转检测单元进行前期处理，以检测是否有跳转，预测逻辑决定是否接收转移。
          第2级--取指令。根据转移预测规则计算出下一条被取指令的指针。对于零机器周期转移，转移合并单元先预处理，并将检测到的转移与正在执行的指令结合起来。预取出的指令存在FIFO缓存器中，同时，下一条要执行的指令输出FIFO缓存器，进入执行流水线。
          第3级--译码。指令被译码，如需要，在间接寻址模式中，寄存器文件将被访问，以读取通用寄存器GPR。
          第4级--寻址。计算所有操作数地址，对于所有隐含访问系统堆栈的指令，堆栈指针递减或增加。
          第5级--存储。所有需要的操作数被取出。
          第6级--执行。使用已取出的操作数进行MAC单元操作。对于非MAC单元指令，在这一级中，指令将由算术逻辑单元（ALU）执行。条件标志被更新，执行所有直接对CPU特殊功能寄存器CPU_SFRs进行写操作的指令，在间接寻址时，作为地址指针的GPRs自动递减或增加。
   
          第7级--写回。所有外部操作数以及剩余的，在内部DPRAM空间内的操作器被写回。定位在内部SRAM中的操作数进入写回缓冲区。
          下面给出一个具体例子：
      

         
        上面程序的指令流水线如表1所列，（Tn表示机器周期）

        2.2 数据相关性排除
          在XC166的CPU中，由于指令流水线的设计要求，在使用通用寄存器（GPRs）的指令之间存在一些数据相互依赖的情况，尽管XC166单片机已经使用了专用硬件来检测及解决数据相关性，但仍然有一些不可避免的数据相关性。在编程时，可以充分利用数据相关性来达到程序优化的目的，比如，在用GPR作为间接寻址指针时，如果PGR中的地址值被改变，间接寻址操作必须等待2个机器指令周期后，才能使用GPR作为地址指针寻址。在这种情况下，可以在这2个等待机器周期内插入2条其他单机器周期指令，充分利用这2个周期的等待时间以便程序更优化。
          下面举一个例子：

            
          另外一种数据相关性发生在间接寻址访问内存时，XC166单片机中的地址产生单元使用推测原理，在地址译码前，数据的读取路经将根据历史记录表中选出；在历史记录表中，每个GPR都有一个入口。这些入口记录了用相应GPR所访问的内存空间情况。如果这种预测发生错误，读取操作必须重新开始。

        因此，如果用GPR作为间接寻址，GPR最好能指向相同内存空间。如果更新后的GPR指向不同内存空间，下一个操作将出现访问错误，读操作必须重复，这就产生了指令流水线堵塞。例如：

      
          2.3 内存带宽冲突排除
          如果在流水线上的指令在同一时间访问同一内存，就会发生内存带宽冲突，MAC单元的CoXXX指令是特别为实现DSP设计的。为了避免在DPRAM中发生带宽冲突，CoXXX指令的其中一个操作数必须放在SRAM中，以保证在单个机器周期内执行MAC单元指令。例如：

      
          2.4 指令重排
          在用MAC单元指令编程时，经常要改变MAC单元的特殊功能寄存器，比如IDX0，IDX1、QX0、QX1、QR0以及QR1等，在XC166单片机中，有一些指令将会阻塞在译码阶段，如果这些指令正好在一条修改特殊功能寄存器（SFR）指令之后执行，这种阻塞将引起3个机器周期的延时。
          这些指令包括：
          ◇使用长地址模式的指令；
        ◇使用间接寻址的指令，除JMPS和CALLI外；
        ◇所有MAC单元指令（CoXXX指令）。

        为了避免指令阻塞，在使用上述指令时，如有阻塞情况发生，应该重新重排指令，以消除延时，例如：

      
          3 结论
          用于英飞凌XC166单片机的DSP优化技术分为两类：与硬件相关的优化技术和独立于硬件的优化技术。独立于硬件的优化技术也可以用于其他的单片机或专用数字信号处理器。