TMS320C6000嵌入式系统优化编程的研究

本文分析了TMS320C6000的硬件设计和指令系统的特点,结合应用开发过程中遇到的问题,对这种高速并行DSP器件的开发方法进行了总结。

1 TMS320C6000的硬件设计和指令系统

TMS320C6000系列DSP(数字信号处理器)是TI公司最新推出的一种并行处理的数字信号处理器。它是基于TI的VLIW技术的，其中 TMS320C62xx是定点处理器,TMS320C67xx是浮点处理器。本文主要讨论TMS320C6201。该处理器的工作频率最高可以采用 50MHz,经内部4倍频后升至200MHz,每个时钟周期最多可以并行执行8条指令,从而可以实现1600MIPS的定点运算能力,而且完成1024定点FFT的时间只需70μs。

1.1 TMS320C6000的硬件结构

图1是TMS320C6000 CPU的结构图。



TMS320C6000的CPU有两个数据通道A和B,每个通道有16个32位字长的寄存器(A0～A15,B0～B15),四个功能单元 (L,S,M,D),每个功能单元负责完成一定的算术或者逻辑运算。A、B两通道的寄存器并不是完全共享,只能通过TMS320C6000提供的两个交换数据通道1X、2X,才能实现处理单元从不同通道的寄存器堆那里获取32位字长的操作数。

TMS320C6000的地址线为32位，存储器寻址空间是4G。C6201片内集成有1Mbit SRAM——512Kbit的程序存储器(根据需要可全部配置成Cache)和512Kbit的数据存储器。通过片内的程序存储空间控制器,CPU一次可以取出256bit,即一次最多可以取出8条32位指令。

C6201有32位的外部存储接口EMIF为CPU访问外围设备提供了无缝接口。外围设备可以是同步动态存储器(SDRAM)、同步突发静态存储器(SBSRAM)、静态存储器(SRAM)、只读存储器(ROM),也可以是FIFO寄存器。

为了便于进行多信道数字信号处理,TMS320C6000配备了多信道带缓冲能力的串口McBSP。McBSP的功能非常强大,除具有一般 DSP串口功能之外,还可以支持T1/E1、ST-BUS、IOM2、SPI、IIS等不同标准。McBSP最多支持128个信道;支持多种数据格式(8 /12/16/20/24/32bit)的传输;可自动进行u律、A律压扩。其工作速率可达到1/2时钟速率。

TMS320C6000提供的16位主机接口(HPI)使得主机设备可以直接访问DSP的存储空间。通过内部或外部存储空间,主机和DSP可以交换信息。主机也可以利用HPI直接访问映射进存储空间的外围设备。

DSP器件一般都带有DMA控制器,可以在CPU操作的后台进行数据传输。TMS320C6201的DMA控制器有4个独立的可编程通道,可以同时进行四个不同的DMA操作,每个通道的优先级可以通过编程设定。每个通道可以根据需要传输8/16/32bit的数据,并且DMA控制器可以访问全部 32位的地址空间。此外,还有一个辅助通道允许DMA控制器响应主机通过HPI口发来的请求。

1.2 指令系统

C62xx和C67xx共享同一个指令集。C67xx可以使用所有的C62xx指令,但因为C67xx是浮点芯片,所以C67xx的指令集中有一些指令只能用于浮点运算。TMS320C6201CPU的设计采用了类似于RISC的结构,指令集简单、运算速度快。8个功能单元负责不同功能的运算, 指令和功能单元之间存在一个映射关系。其中,L单元有23条指令,M单元有20条指令,S单元29有条指令,D单元有26条指令。

TMS320C6201的大部分指令都可在单周期内完成,都可以直接对8/16/32bit数据进行操作。同时,TMS320C6201指令集针对数字信号处理算法提供了一些特殊指令:为复杂计算提供的40bit的特殊操作的加法运算;有效的溢出处理和归一化处理;简洁的位操作功能等。 TMS320C6201中最多可以有8条指令同时并行执行;所有指令均可条件执行。以上所有特点提高了指令的执行效率、减小了代码长度、大大减少了因跳转引起的开销、提高了编码效率。

流水线操作是DSP实现高速度、高效率的关键技术之一。TMS320C6000只有在流水线充分发挥作用的情况下,才能达到1600MIPS的速度。C6000的流水线分为三个阶段:取指、解码、执行,总共11级。和以前的C3x、C54x相比,有非常大的优势,主要表现在:简化了流水线的控制以消除流水线互锁;增加流水线的深度以消除传统流水线结构在取指、数据访问和乘法操作上的瓶颈。其中取指、数据访问分为多个阶段,使得C6000可以高速地访问存储空间。

2 优化编程的几个方法

使用TMS320C6000进行程序设计时,首先的感觉是汇编指令集太小了。C6000在设计时采用了一种类RISC机的结构,运算速度特别快,但是指令集却非常简单。象DSP算法中常用的乘加指令、循环操作指令等,在C54x和C3x中两条指令就可以完成的功能,而在C6000中却需要一个循环体,所以它的程序设计一般比较复杂。要想充分发挥C6000的运算能力,必须从它的硬件结构出发,最大限度地利用八个功能单元,使用软件流水线,尽量让程序无冲突的并行执行。

并行处理的长处在于,在处理彼此之间没有承接关系的运算时,在CPU资源允许的情况下可以并行完成。但对于前后有承接关系或者判断、跳转频繁的情况,就无法发挥并行的优势。一般循环体都满足并行处理的条件,并且循环体往往是程序中耗时最长的地方。因此进行C6000应用开发时应将优化重点放在循环体上。为了降低开发难度,C6000提供了很多在高级语言(如ANSI C)一级对程序进行优化的方法。在应用满足实时性处理要求时,应尽量采用这种方法。但是这种方法的效率比较低,C语言优化最好的例子是点乘,这种循环使用 C语言进行优化可以百分之百地的利用CPU资源,程序的并行性达到最好。但是我们在做20点的点乘时发现它的耗时是汇编语言程序的3倍。所以如果系统的实时性要求比较高,就不能使用这种优化方法了。

这时可以考虑使用线性汇编语言进行开发。线性汇编语言是TMS320C6000中独有的一种编程语言,介于高级语言和低级语言之间。因为在用手写汇编语言进行应用开发时,开发者除了要精通C6000的指令系统之外,还必须为指令分配功能单元、考虑指令的延迟和功能单元之间的配合以及合理分配使用 32个寄存器,才能写出高效的并行指令,发挥C6000的威力。上面任何一个方面出现问题,都会严重影响算法的效率。

线性汇编语言的指令系统和汇编语言的指令系统完全相同,但是它有自己的汇编优化器指令系统,用于和汇编优化器配合使用。与汇编语言的最大区别在于,编写线性汇编语言时不需要考虑指令的延时、寄存器的使用和功能单元的分配,完全可以按照高级语言的方式进行编写。当然由于它不是高级语言,有许多编程的限制。例如,在优化循环体时,不能使用跳转到循环体之外的跳转指令;另外计数器只能使用减计数,如果使用加计数,优化器将不能工作等等。但总的说来,它的代码效率远远高于高级语言,而且开发难度和开发周期比汇编语言要小得多。

在实际开发过程中需要具体情况具体分析,选择一种高效、快捷的开发方法。以下结合应用开发中的几个模块来简述我们使用的优化方法。