基于dsp的软件流水优化研究

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1、http://www.paper.edu.cn基于DSP的软件流水优化研究李平良，戴志涛北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京(100876)E-mail：lipl_cv@yahoo.com.cn摘要：本文通过研究软件流水相关技术，结合TIDSPC6000系列DSP的硬件特性，探讨了DSP软件流水的相关优化方法。通过性能比较，说明这些方法具有普遍的应用价值。关键词：DSP；软件流水；循环展开；线性汇编中图分类号：TP3031.引言数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessing)是一种运算密集型处理

2、器，采用哈佛结构设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在不同的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。而且，DSP芯片内部嵌有硬件乘法器、累加器等功能单元，采用流水线结构，具有良好的并行特性。然而，在DSP算法中存在大量的循环操作，要提高系统的并行性，就必须发掘循环中各循环体之间的指令级并行性(InstructionLevelParallelism，简称ILP)。目前，在这方面己经提出的技术有循环展开和软件流水等。其中，循环展开是通过多次复制循环体和调整循环中止代码，从而优化ILP和增大指令调度的作用范围。这

3、种方法有两个缺点：(1)指令调度不能越过新的循环体，在产生的代码中就会有过多的注满与清空流水线的部分，效率不高；(2)展开次数不易确定，太少并行度不够，太多会导致代码长度过大。而软件流水则避免了这些问[1]题。本文将通过研究软件流水相关技术，从代码和编译器的角度提出DSP软件流水的一些优化方法，并对软件流水优化方法中的一种重要方法—编写线性汇编代码进行详细探讨，给出了线性汇编代码编写的方法和步骤。2.软件流水技术软件流水是一种重要的指令调度技术，它通过编排(schedule)循环指令，重叠地执行不[2]同的循环体来提高

4、ILP。该方法主要应用于具有多个功能部件的并行处理器，例如VLIW(VeryLongInstructionWord)、超标量等多发射体系结构处理器，以及可以同时执行整数和浮点指令、但不同时对这两种指令初始化的单发射体系结构。2.1软件流水描述图1描述了一个软件流水循环。图中A、B、C、D和E表示一个循环体中的各条指令，II(InitiationInterval)称为启动间距，表示相邻两个循环体的启动时刻差。在循环中，一个周[3]期最多可以并行执行5次操作。软件流水过程可以分为三个阶段，图中阴影部分称为循环核心期(Loo

5、pKernelPhase)，核心期前面执行的过程称为流水循环起始期(PipelinedLoopPrologPhase)，核后面执行的过程称为流水循环结尾期(PipelinedLoopEpilogPhase)。在起始期，每时钟周期启动一个新的循环体，流水渐渐满起来。在核心期中，所有的5个阶段并行执行，流水已满，达到了最大的并行度。在结尾期，每时钟周期结束一个循环体。从以上描述中，我们可以看出软件流水方法的原理：一个单重循环调度(平坦调度，flatschedule)被划分为(在时间上)长度相等的d段，称作级数(stagec

6、ount，SC)。每隔II时间启动一个新的循环体，经过(d-1)×II时间后，有d个相继的循环体同时在执行，且依次位于对应循环-1-http://www.paper.edu.cn体的第d段、第d-1段、…、第1段中。此后，软件流水进入循环核心期，即每隔II时间就有一个循环体流出，同时有一个新的循环体进入流水，使得每II时间段中执行的代码保持不变，循环体中的所有操作都在同时执行。所以，循环核心期也构成了一个稳态。图1(a)单循环源代码(b)单循环软件流水Fig1(a)sourcecodeofsinglecycle(b)s

7、oftwarepipeline2.2软件流水调度技术目前，针对软件流水己经提出了一系列的调度算法，主要包括模调度(ModuloScheduling)、核心识别(KernelRecognition)及增强流水线调度(EnhancedPipelineScheduling，[1]EPS)等三类。根据适用范围，这些算法可以分为直线型流水算法和复杂流水算法。直线流水算法仅适用于单循环结构，而复杂流水算法允许循环体中包含分支结构以及嵌套循环。按调度方式不同，又可分为限定性流水算法和通用型流水算法。限定型流水算法要求循环安放时，每次

8、重复相同的调度方案和启动间隔，而通用流水算法则没有这种限制。其中，模调度是其他大部分软件流水调度算法的基础，将在2.3节详细讨论。核心识别方法是循环展开与无环调度的延伸。它将循环看作是完全展开的，所有循环体中的操作均参与调度，如果在调度的过程中，系统两次到达某个完全相同的状态，则可以确定其后的调度将是前面模式的重复，那么这两点之间