TMS320C55x的指令流水線及其效率的提高
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關(guān)鍵詞：DSP TMS320C55x 指令流水線 自動(dòng)保護(hù)機(jī)制
引 言
TMS320C55x（以下簡稱C55x）是德州儀器公司推出的新一代低功耗高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。2002年初，德州儀器公司相繼推出了TMS320C55x系列中TMS320VC5510的正式版本，以及TMS320VC5509和 TMS320VC5502。C55x是在TMS320C54x（以下簡稱C54x）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其源代碼也與C54x的兼容。C55x達(dá)到了C54x的2倍的周期效率，并且只有C54x的1/6的功耗。C55x優(yōu)異的性能和極低的功耗使其成為具有相當(dāng)競爭力的DSP產(chǎn)品。
C55x是從C54x的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在結(jié)構(gòu)上做了相當(dāng)大的擴(kuò)展，在指令集上也有很大的提高。C55x繼續(xù)使用C54x在代碼密度上建立的獲得更低系統(tǒng)成本的標(biāo)準(zhǔn)，并將其進(jìn)一步發(fā)展為采用1~6字節(jié)的可變字節(jié)寬度的指令，以提高代碼密度。使用這種可縮放的指令字長度，C55x每個(gè)功能的控制代碼可以比C54x的減少最多達(dá)40%。C55x還增加了總線寬度，其指令單元每次可從內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器取32位程序代碼（C54x每次只能取16位）。C55x含有指令高速緩存器(cache)以使外部存儲(chǔ)器訪問最少，改善數(shù)據(jù)吞吐率和省電。這種指令集的設(shè)計(jì)與低功耗需求結(jié)構(gòu)的聯(lián)合使用，使得應(yīng)用系統(tǒng)具有極高的性能。
C55x DSP的最大特點(diǎn)就在于，其強(qiáng)有力的并行特性和方便用戶編程的流水線自動(dòng)保護(hù)機(jī)制，而C55x并行指令的實(shí)現(xiàn)和指令的高效率執(zhí)行，在很大程度上都依賴于指令流水線的支持。
1 TMS320C55x的指令流水線
DSP指令的執(zhí)行，可以是直接執(zhí)行，如AD公司的218x系列DSP，也可以采用指令流水線的方式。德州儀器公司的DSP產(chǎn)品一般都采用指令流水線的工作方式，即一條指令的執(zhí)行分為若干個(gè)階段完成，就像經(jīng)過工廠里的生產(chǎn)流水線上的一道道工序一樣，而同時(shí)，在流水線的其它階段又分別有其它的指令在順序地執(zhí)行著。采用指令流水線的執(zhí)行方式，可以大大提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，使得系統(tǒng)可以低延遲或“無延遲”地執(zhí)行較復(fù)雜的指令。因此，更多的DSP開始采用指令流水線的執(zhí)行方式。
C55x繼承了C54x的指令流水線的執(zhí)行方式，其流水線分為兩個(gè)分離的階段，即“取指階段”和“執(zhí)行階段”。在取指階段，將4字節(jié)的指令包取入指令緩沖隊(duì)列，這里面又包括提交地址、取指、預(yù)譯碼等4個(gè)階段；而在執(zhí)行階段，則完成指令的譯碼執(zhí)行，又可分為譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行、寫回結(jié)果等8個(gè)階段。圖1是“取指階段”和“執(zhí)行階段”的示意圖。
其中“數(shù)據(jù)回寫+”只出現(xiàn)在數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器的指令中。
C55x的指令流水線一般由程序流單元(PU)控制。程序流單元對指令譯碼，分派指令到尋址單元(AU)和數(shù)據(jù)運(yùn)算單元(DU)，并管理全部的保護(hù)流水線，其具有的預(yù)測轉(zhuǎn)移能力可以避免條件指令執(zhí)行引起的流水線刷新。
2 TMS320C55x指令流水線的自動(dòng)保護(hù)機(jī)制
雖然采用指令流水線的工作方式，可以提高系統(tǒng)的效率，但不同的指令執(zhí)行情況不同，就有可能造成流水線的沖突。如：當(dāng)一條指令想寫入某寄存器時(shí)，前一指令還未完成對該寄存器的讀取操作，就會(huì)產(chǎn)生流水線沖突的問題，這時(shí)候就必須對流水線進(jìn)行保護(hù)，確保前一指令的讀取操作完成后才修改該寄存器的值。遇到這樣的情況，必須在第二條指令之前加入等待延遲。如：在設(shè)計(jì)C54x程序時(shí)，就需要程序設(shè)計(jì)人員在可能發(fā)生流水線沖突的指令前后手工加入NOP（空操作）指令或調(diào)整指令的順序，以使第二條指令執(zhí)行時(shí)能取到正確的操作數(shù)。時(shí)刻關(guān)注流水線的沖突問題，在編程時(shí)是非常麻煩的；而在C55x中，由于采用多指令并行操作，流水線的沖突問題也就越發(fā)嚴(yán)重。但幸運(yùn)的是，C55x中的指令流水線具有自動(dòng)保護(hù)機(jī)制，其自動(dòng)保護(hù)機(jī)制會(huì)在可能引起沖突的指令之間自動(dòng)增加不活動(dòng)的周期，以避免沖突的發(fā)生。這些都是在指令執(zhí)行時(shí)自動(dòng)加入的，不需要設(shè)計(jì)人員親自去添加等待周期，從而省去了在編程時(shí)對流水線沖突進(jìn)行調(diào)整的工作，大大降低了編程和調(diào)試的難度。而且，也正是由于指令流水線有了自動(dòng)保護(hù)機(jī)制，才使得設(shè)計(jì)人員可以放心地使用C55x的并行指令。
3 如何減少指令流水線的保護(hù)和延遲
雖然C55x的自動(dòng)保護(hù)指令流水線結(jié)構(gòu)降低了編程時(shí)的復(fù)雜度，但指令流水線的保護(hù)造成的延遲也是影響C55x程序執(zhí)行效率的一個(gè)重要方面。
指令流水線的執(zhí)行方式會(huì)產(chǎn)生流水線的沖突和保護(hù)，而C55x支持多指令同時(shí)執(zhí)行，流水線沖突與保護(hù)的問題更加嚴(yán)重。所以，減少流水線的沖突，即減少流水線保護(hù)造成的延遲，對DSP的執(zhí)行效率是大有影響的。下面就介紹流水線沖突的可能原因和如何避免流水線沖突，以盡量減少流水線保護(hù)機(jī)制所帶來的延遲。
?、?對寄存器訪問的競爭是影響流水線保護(hù)和延遲的主要原因。如果出現(xiàn)要對某寄存器讀取/寫入的時(shí)候，前一指令對該寄存器的寫操作/讀操作還未完成的情況，就會(huì)造成流水線保護(hù)和延遲。在以寄存器為條件執(zhí)行指令的條件中，如果在測試條件時(shí)前面的指令對該寄存器的修改還未完成，也會(huì)造成流水線保護(hù)和延遲。而C55x大部分操作都是在寄存器內(nèi)或依賴寄存器來完成的，所以這是造成流水線保護(hù)和延遲的主要原因。這時(shí)候，需要仔細(xì)安排指令的順序，避免對寄存器訪問的競爭；必要時(shí)可以采用加mmap()的方式，因?yàn)檫@會(huì)改變對相應(yīng)的寄存器的讀取和修改的流水線階段，就有可能解決這個(gè)問題。
?、?對存儲(chǔ)器訪問的競爭也是影響流水線保護(hù)和延遲的重要原因。C55x內(nèi)部存儲(chǔ)器分為SARAM和DARAM兩種。每個(gè)周期、每個(gè)SARAM體（bank）可被訪問一次，DARAM體可被訪問兩次；如果在同一周期，指令（或并行指令對）中要對同一體訪問超過兩次的時(shí)候，就會(huì)造成流水線延遲。這時(shí)侯，可以考慮將其中一個(gè)數(shù)組復(fù)制到另一個(gè)存儲(chǔ)器體中去，然后再執(zhí)行相應(yīng)的操作。在安排程序位置的時(shí)候，將程序代碼放在SARAM區(qū)。因?yàn)?，讀取程序代碼也可能和數(shù)據(jù)的存取產(chǎn)生競爭。
此外，我們還要注意，C55x流水線將某些狀態(tài)寄存器STx的某些位看作“位組”，將某些寄存器看作“寄存器組”。所以，在同時(shí)訪問這些“位組”或“寄存器組”成員的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生與同時(shí)訪問一個(gè)寄存器或存儲(chǔ)器地址類似的沖突，也會(huì)造成流水線延遲。
?、?指令緩沖隊(duì)列也有可能造成流水線保護(hù)和延遲。指令緩沖隊(duì)列（IBQ）用于保存準(zhǔn)備解碼執(zhí)行的指令，每次送出6字節(jié)的指令譯碼，同時(shí)從程序區(qū)取4字節(jié)的指令包補(bǔ)充。所以如果有太多的5或6字節(jié)的指令連續(xù)執(zhí)行，就有可能使取指的速度跟不上譯碼的速度而導(dǎo)致延遲。而在程序執(zhí)行出現(xiàn)子程序調(diào)用、跳轉(zhuǎn)、塊重復(fù)和循環(huán)等情況的時(shí)候，IBQ的內(nèi)容被刷新，需要重新取指填充IBQ，這也會(huì)造成流水線延遲。在長指令間插入一些短指令，并盡可能地使用localrepeat，可以減少出現(xiàn)IBQ延遲的情況。
判斷是否有流水線延遲的方法可以通過高版本的開發(fā)工具來檢查，也可在懷疑有延遲的語句后添加NOP指令，觀察前后的執(zhí)行時(shí)間是否改變。若沒有什么變化，則說明有延遲的情況存在，可以將其它指令調(diào)整到這個(gè)位置。
4 如何提高流水線的效率
一般情況下，采用指令流水線可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，但是這需要合理的程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，上面提到的流水線沖突會(huì)引起流水線保護(hù)從而造成延遲。此外，即使在沒有流水線保護(hù)的情況下，也有可能影響流水線的效率。比如在程序中發(fā)生調(diào)用子程序、條件跳轉(zhuǎn)和塊重復(fù)循環(huán)等分支跳轉(zhuǎn)的情況時(shí)，處于指令流水線中各階段的預(yù)處理過的指令都要丟棄，必須重新取入新的指令并重新預(yù)處理后才能執(zhí)行，這就不可避免地帶來延遲。所以，盡可能地減少指令流水線的刷新，將使程序運(yùn)行的速度提高，延遲更少。
為了減少指令流水線的刷新，即減少分支跳轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，要盡可能地用條件執(zhí)行指令來代替條件跳轉(zhuǎn)指令，用單指令重復(fù)repeat(CSR)和本地循環(huán)（localrepeat）來代替塊循環(huán)（blockrepeat）。這樣不但可以加快程序的執(zhí)行，而且可以減少代碼空間和程序執(zhí)行時(shí)的功耗。條件執(zhí)行指令會(huì)根據(jù)條件是否成立來決定指令是否執(zhí)行，而不會(huì)像條件跳轉(zhuǎn)指令那樣產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)，也就避免了出現(xiàn)分支跳轉(zhuǎn)的情況；而使用單指令重復(fù)和本地循環(huán)，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中的指令被取入指令緩沖隊(duì)列后就不再刷新指令緩沖隊(duì)列，而直接使用指令緩沖隊(duì)列中已經(jīng)取好的指令反復(fù)執(zhí)行，直到循環(huán)結(jié)束，從而也避免了取指和譯碼帶來的延遲，大大提高了流水線執(zhí)行的效率。但在編程時(shí)需要注意的是，本地循環(huán)第一條指令和最后一條指令之間最多為55字節(jié)的指令，否則，就無法采用本地循環(huán)而必須采用塊循環(huán)方式。因?yàn)?，最后一條指令前的長度可為55字節(jié)，而最后一條可以為長6字節(jié)的指令。所以，在整個(gè)循環(huán)指令長度較大時(shí)，可以將較短的指令前移，而將最長的指令放在最后一條，這樣就有可能使得較長的指令也構(gòu)成本地循環(huán)的結(jié)構(gòu)。
結(jié) 語
TMS320C55x是一種高性能的DSP，C55x指令流水線的優(yōu)異性能是其中的非常重要的方面。通過合理的程序設(shè)計(jì)，減少指令流水線的沖突以減少保護(hù)所造成的延遲，并且盡量減少流水線的刷新，將使程序的執(zhí)行效率更高，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的功耗，從而可以真正發(fā)揮TMS320C55x的優(yōu)異性能。
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