專利名稱：一種基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及具有并行運算結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號處理器DSP的運算處理的優(yōu)化方法，尤其涉及一種基于StarCore(StarCore是一種新的DSP體系結(jié)構(gòu)的名稱，已被注冊了商標)數(shù)字信號處理器DSP的運算處理方法的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信產(chǎn)品中常常會使用DSP完成一些具有很高運算開銷的特殊運算，如語音編解碼、圖象或視頻編解碼，加密解密等。對運算處理速度開銷優(yōu)化的效果越好，則每片DSP的處理能力越高，相應的產(chǎn)品性能價格比也越高。因此DSP的運算處理優(yōu)化方法往往是通信產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
只有單個算術(shù)邏輯單元ALU的DSP中的優(yōu)化思路很直觀，也比較簡單。現(xiàn)在隨著單片DSP芯片中集成的ALU增加和存儲空間的不斷增長，運算處理速度的并行優(yōu)化越發(fā)顯出其重要性。
代碼中，一般運算開銷比較大的部分集中在少數(shù)的一些循環(huán)，尤其是一些多重循環(huán)體之中，因此集中主要力量對這部分代碼進行優(yōu)化，可以以較少的投入獲得較大的效果。在Motorola公布的基于StarCore內(nèi)核的DSP的程序重整及優(yōu)化方法介紹中(參見Motorola技術(shù)文檔Programming Techniques forParallel DSP ArchitecturesOptimal Performance on the StarCoreSC140)講述了幾種主流的優(yōu)化方法，主要有分裂求和技術(shù)與多路取樣技術(shù)。主要思路就是根據(jù)循環(huán)體內(nèi)代碼的獨立性，將其由一條單線變成多條線同步并進，這樣就能利用DSP中的多個數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯單元DALU和地址產(chǎn)生單元AGU同時進行多個獨立的算術(shù)運算和地址運算，達到充分利用DSP資源的目的，從而提高運行速度。除了上面兩種主要技術(shù)以外，還有一些輔助技術(shù)在代碼優(yōu)化中也經(jīng)常使用，包括多字節(jié)對齊(有助于單指令在一個機器周期內(nèi)在寄存器和存儲器間傳輸多個字或雙字)，循環(huán)拆解，等。
但是由于現(xiàn)代運算處理方法的復雜性和差異性越來越大，僅用上面這些直觀的優(yōu)化方法，一部分模塊不能達到充分優(yōu)化的效果。在SC140(StarCoreDSP)DSP核中有4個獨立的DALU和2個AGU，效率最高時可以在一個DSP機器周期里同時完成4個乘加運算和2個地址運算。但是由于DSP指令系統(tǒng)內(nèi)部的限制，這種并行運算的潛力常常很難全部發(fā)揮出來。特別是當循環(huán)體內(nèi)相鄰兩個循環(huán)的代碼計算之間有緊密的因果關(guān)系，而且循環(huán)體中代碼計算結(jié)果具有不確定的情況(如包含有if語句塊)時，通常的優(yōu)化方法不能做到充分的并行優(yōu)化。這種后一次循環(huán)依賴于前一次循環(huán)計算結(jié)果的情況是普遍存在的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的優(yōu)化方法不能充分利用DSP的資源，對有緊密因果關(guān)系且代碼計算結(jié)果不確定的循環(huán)體不能作到充分優(yōu)化的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種高效的并行運算處理的優(yōu)化方法，通過特別的錯位重組后，使循環(huán)體變成可以高度并行執(zhí)行的代碼，從而大大提高了數(shù)字信號處理器運算處理的效率。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案a.首先分析循環(huán)體內(nèi)代碼，將其分解拆細成每行語句內(nèi)部的復雜度盡可能小，且能與SC140數(shù)字信號處理器匯編代碼一一對應；b.對上面的代碼進行簡單合并，變量替換等操作，使得代碼簡煉，消除冗余，易于做聚合重組處理；c.將循環(huán)中代碼根據(jù)因果關(guān)系聚合成幾個代碼塊或稱為代碼隊列，同時為每一行代碼加上相應的匯編命令及其所使用到的指令性質(zhì)的注釋，說明是數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯單元指令還是地址產(chǎn)生單元指令；d.在循環(huán)內(nèi)找出運行時間最長的代碼塊，以此為代碼主干，將其它代碼塊中的代碼逐步加到該代碼塊中并進行聚合，形成若干可以并行執(zhí)行的代碼塊(并行塊)，目的是使循環(huán)中并行塊的數(shù)目最少；e.一般步驟d中結(jié)果還不是最優(yōu)的，即對數(shù)字信號處理器中數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯單元和地址產(chǎn)生單元資源的利用不夠充分。需要調(diào)整代碼組合方式，只要循環(huán)中代碼環(huán)繞的次序不變，以及不超出SC140數(shù)字信號處理器的資源限制和語言限制，并且不出現(xiàn)代碼計算的因果性沖突，循環(huán)內(nèi)幾個代碼塊錯位組合的方式可以靈活掌握，做法如下
e1.若循環(huán)中代碼總長度超出代碼主干的長度(指并行塊的數(shù)目)。可以調(diào)整某些代碼塊內(nèi)部各并行塊相對于主干的合并位置。即使將該代碼塊頭部定位在循環(huán)中的尾部也沒有問題，其后面的代碼將環(huán)繞到循環(huán)體的前面去，但其環(huán)繞順序不變；e2.當循環(huán)中代碼總長度等于代碼主干的長度時，可以通過調(diào)整代碼，將代碼主干的頭尾部分合并到一個并行塊中去，以壓縮主干長度，從而進一步提高代碼并行度；這種調(diào)整過程往往要反復進行若干次才能達到最優(yōu)效果；f.上一步中的重組完成后，因為其本質(zhì)上是一種多個循環(huán)代碼間的錯位重組。還需要將原循環(huán)中整合不到新循環(huán)體內(nèi)的頭尾部分代碼與原循環(huán)體以外部分代碼作并行合并處理；g.將處理完的代碼一一對應地翻譯成SC140匯編語言。
由于采用了以上技術(shù)方案，相比較于現(xiàn)有的優(yōu)化方法，本發(fā)明提供的優(yōu)化方法將同一個循環(huán)中的代碼重新組合，總的代碼長度一般比現(xiàn)有優(yōu)化方法小，本發(fā)明的優(yōu)化方法在處理相鄰循環(huán)代碼計算之間存在緊密關(guān)聯(lián)，特別是存在if語句塊的代碼時，將大大提高了并行優(yōu)化的效果。


圖1是本發(fā)明提供的具體實施例中一段優(yōu)化前的C代碼；圖2是將實施例中圖1的代碼進行變量替換并分解拆細后的效果圖；圖3是將實施例中圖2的代碼根據(jù)因果關(guān)系緊密程度分塊聚合后的效果圖；圖4是將實施例中圖3的循環(huán)三條代碼列經(jīng)過初步組合后的效果圖；圖5是將實施例中圖4的第二代碼列環(huán)移并重組后的效果圖；圖6是實施例中循環(huán)內(nèi)代碼經(jīng)過優(yōu)化重組后的最終效果圖；圖7是實施例中將圖6的循環(huán)拆開，以顯示其與重組前循環(huán)代碼之間的關(guān)系；圖8是按照本發(fā)明的循環(huán)體代碼錯位重組的示意圖；圖9是本發(fā)明所述的并行運算處理的優(yōu)化方法的流程圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明的一個具體實施例。
圖1是本實施例中優(yōu)化前的一段C代碼。為達到最好的優(yōu)化效果，同時也便于進行漸進式的模擬調(diào)試。本實施例采用C代碼來模擬并行優(yōu)化的過程，達到最終的優(yōu)化結(jié)果時，再以一一對應的方式，將C代碼翻譯成DSP匯編語言。
這樣做可以對優(yōu)化過程中的每一步使用集成開發(fā)環(huán)境進行仿真測試和錯誤檢查，每一步都能將大多數(shù)可能的錯誤消除，如果最終翻譯后的DSP代碼經(jīng)驗證仍然有錯誤，則可將C代碼的優(yōu)化過程作為調(diào)試檢查的參照，方便進行錯誤定位。
代碼中的幾個特殊函數(shù)，均為國際電信聯(lián)盟ITU定義的基本算法函數(shù)，其定義可參考相關(guān)文件。Add，mult，L_mac，L_msu，round的簡要含義分別是Add相加，mult相乘，L_mac乘累加，L_msu乘相減，round低位字舍入到高位并提取高位字。_1_4和_1_2分別代表1/4和1/2。
優(yōu)化過程的具體步驟描述如下a.如圖2所示，將循環(huán)體中代碼分解拆細，圖2是將原代碼進行變量替換并分解拆細后形成的代碼。這一步驟的目標是將C代碼盡可能分解拆細成語句內(nèi)部復雜度最小的情況，每一行C代碼都可以對應到一條簡單的DSP匯編代碼(圖2中有幾行由兩條C語句組成的代碼，可以對應到SC140 DSP的一條匯編語句)。例如，語句s＝L_msu(L_mult(alp，sq1)，sq，alp_16)拆解成如下兩行s1＝L_mult(alp，sq1)；s2＝L_mult(sq，alp_16)；之所以沒有出現(xiàn)s＝s1-s2的計算式，是因為接下來的語句if(s＞0)可以等價轉(zhuǎn)換成if(s1＞s2)，而該語句只用一條匯編語句即可實現(xiàn)。其它代碼的拆解直觀易懂，這里就不一一說明了。
b.這一步驟可選對拆細后的部分代碼進行簡單的合并與簡化，為的是使代碼最簡練也最易于進行并行重組，如圖3所示。例如拆解alp1＝L_mac(alp0，rr[i1][i1]，_1_4)語句，增加一個指針變量prr1＝&rr[i1][i1]。拆解后的3條語句與其它語句并行執(zhí)行的可能性大了很多。
alp1＝*prr1；prr1+＝n0；alp1＝alp1＞＞2；
alp1＝alp1+alp0； (1)拆解alp1＝L_mac(alp1，rr[i0][i1]，_1_2)語句時，除了增加一個指針變量prr2＝&rr[i0][i1]以外，還要多增加一個變量alp2，為的是以后alp2可與alp1進行并行計算。
alp2＝*prr2；prr2+＝n0；alp2＝alp2＞＞1；alp2＝alp2+alp1；考慮到代碼alp_16＝round(alp2)及前面的代碼行(1)；完全可以將對alp_16的計算改寫成alp_16＝(L_add(alp0，alp2))＞＞16；前面的代碼行(1)可以取消，效果完全一樣。
c.繼續(xù)如圖3所示，將拆細后的代碼按照相關(guān)聯(lián)的緊密程度不同，分別聚合在幾個代碼塊或稱為代碼隊列中。使得塊內(nèi)代碼有直接的前后因果關(guān)系，代碼塊之間這種因果關(guān)系比較小，這樣形成的幾條代碼隊列是后面并行優(yōu)化的基礎。同時在每一行C代碼后面加注其翻譯成的DSP匯編命令及其屬于DALU指令還是AGU指令。這樣做的好處是可以為下面步驟中的代碼并行重組和調(diào)整提供每一個并行塊中DALU和AGU使用情況的最直觀描述。有了這種注釋，最終翻譯成匯編語言時也就是舉手之勞。要說明的是這里聚合成的每一個代碼塊都可以再分成若干個并行塊，只有屬于同一個并行塊的C代碼最終翻譯成DSP代碼后，才能并行執(zhí)行。
本例循環(huán)體中代碼被分成三塊，相互間用空行隔開(如圖3所示)。其中最長的主干代碼是圖3所示循環(huán)體中的第二塊，可以分成四個并行塊。如最左邊一列的數(shù)字21)22)23)24)所示，其中高位的數(shù)字2表示屬于第二個代碼塊，另兩個代碼塊都各分成三個并行塊。
d.從這些代碼塊中找出其內(nèi)部并行塊最多的那一塊。然后就以該代碼塊為主干，根據(jù)代碼相關(guān)性的限制，DALU和AGU數(shù)量限制以及翻譯后的DSP匯編代碼限制，將其它代碼塊中代碼逐步地附加到該主干代碼塊的各個并行塊中去，以充分利用各個并行塊中剩余的DALU和AGU資源。
d1.SC140指令集有一個重要特點在用某個變量作計算時，同時還可以將另一個計算的結(jié)果寫入該變量中，兩者可以并行執(zhí)行，對結(jié)果沒有影響。雖然是在同一個機器周期中完成，事實上讀操作比寫操作還是要略超前些。該特點在并行優(yōu)化時經(jīng)常使用，非常重要。
d2.各個代碼塊內(nèi)部代碼的環(huán)繞順序不可搞亂，但代碼塊附著到代碼主干上的起點位置是可以變化的，以達到在規(guī)定的限制內(nèi)讓主干上的每個周期都能充分地利用DALU和AGU資源。每個并行執(zhí)行周期中DALU運算不能超過4個，AGU運算不能超過2個。
如圖4所示是經(jīng)過初步組合后形成的新的代碼組合，由五個并行塊組成，各并行塊之間以空行隔開。
e.很明顯步驟d中完成的代碼還達不到充分利用DSP資源的最優(yōu)并行效果，應該進一步加以優(yōu)化調(diào)整，條件是不改變各個代碼塊內(nèi)部的循環(huán)次序及符合SC140 DSP的資源限制和語言限制，并且不出現(xiàn)代碼計算的因果性沖突。具體做法如下e1.因為循環(huán)中代碼總長度為5(并行塊數(shù)目)超出代碼主干的長度(4個并行塊)。將主干代碼塊(即第二個隊列)向上環(huán)移一次，其中原在第一并行塊中的兩行標為21)的代碼移到了最后一個并行塊中，其它標記為22)23)24)的代碼都依次上移一個并行塊，根據(jù)DALU及AGU資源利用情況，重新進行代碼分離與聚合。成為如圖5中的情況。
e2.觀察圖5，可知并行塊數(shù)目比圖4中減少了一個，與主干的并行塊數(shù)目一樣，但還不是最優(yōu)。這時可以通過將代碼主干的頭尾部分合并到一個并行塊中去的方法，達到壓縮主干長度，第3，4并行塊中標記為24)和21)的代碼分別是原第二代碼列的尾部和頭部。嘗試將第3，4并行塊合并成一個，正好能達到所有限制條件的要求。
圖6顯示的就是重組完成后的循環(huán)代碼?？梢钥吹酱a由三個并行塊實現(xiàn)，即翻譯成相應的DSP匯編后，一個循環(huán)只要3個DSP機器周期就可以完成。這三個并行塊使用的DSP資源分別列出如下(4 DALU，1 AGU)，(3 DALU)，(4DALU，2 AGU)可見優(yōu)化已經(jīng)很充分，不可能再壓縮到2個DSP周期了。
比較圖3與圖6，可以看到圖3中只有第一個代碼塊在重組后次序上未有變化，另2個代碼塊中的代碼都進行了環(huán)繞，而且圖6的主干代碼中alp_16的計算還與alp1和alp2的賦值運算合在一個并行塊中了，這樣主干代碼長度就由四個并行塊變成了三個并行塊。
圖6中的代碼已經(jīng)過重組，但還不是代碼優(yōu)化的最終結(jié)果，因為新循環(huán)體中代碼相互間依賴關(guān)系與原來不再相同，也就是說每一個循環(huán)都有部分的代碼計算依賴于前一個甚至是前兩個循環(huán)的計算結(jié)果，同時還為后面的1～2個循環(huán)預先做了計算處理。這樣重組后的第一個循環(huán)前面也必然有屬于原循環(huán)體開始部分的代碼；最后一個循環(huán)后面也肯定有原循環(huán)體最后部分的代碼。故而雖然重組后的循環(huán)體中代碼都能與原循環(huán)拆細后的代碼一一對應，但循環(huán)次數(shù)≤原循環(huán)次數(shù)-2。這就是圖1，圖2和圖3中循環(huán)次數(shù)為8，而圖6中循環(huán)次數(shù)為6的原因。
f.將重組后的代碼頭尾幾個循環(huán)展開，如圖7所示。圖中第一列標示的數(shù)字表明的是該行語句屬于原循環(huán)體中的第幾個循環(huán)。從圖中可見，重組后的新的循環(huán)1中包含了原循環(huán)1，原循環(huán)2，原循環(huán)3三個循環(huán)中的語句，而新的循環(huán)2中則包含了原循環(huán)2，原循環(huán)3，原循環(huán)4三個循環(huán)中的語句，依次類推。在第一個循環(huán)外還有屬于原循環(huán)1和原循環(huán)2中的代碼，這部分代碼一般可以和循環(huán)體外部的代碼進行并行化的合并，對尾部多出來的代碼也作同樣處理。
g.將最終完成所有處理工作的C代碼以一一對應的方式翻譯成SC140匯編語言。則本例的C代碼并行優(yōu)化工作即告完成。
圖8以形象的方式說明了本發(fā)明核心—錯位重組的概念。圖中多個灰色豎形方框代表原來循環(huán)體中的第1，2，3，4，5…等循環(huán)，假設每個循環(huán)中代碼被初步重組成3塊，相應于每個框中的3個相同的數(shù)字；經(jīng)過錯位重組后的新循環(huán)體中的循環(huán)分別是虛線框表示的重組循環(huán)1，重組循環(huán)2，重組循環(huán)3等。重組后的每一個循環(huán)都跨越了原來循環(huán)體中的三個循環(huán)，其錯位組合的概念一目了然。
現(xiàn)有的并行優(yōu)化方法將循環(huán)體中多個循環(huán)的代碼改變變量名稱，然后合并到一起，相應的循環(huán)次數(shù)少了幾倍，但一個循環(huán)中代碼行數(shù)卻增加了幾倍，這會造成循環(huán)內(nèi)變量數(shù)目成倍增加，而DSP所能提供的寄存器數(shù)目有限，只能通過先將寄存器暫存在存儲器中，需要時再調(diào)出來使用，結(jié)果額外增加了不小的運算開銷。而通過上述實施例可見，在本發(fā)明方法中，循環(huán)中變量數(shù)目改變不多，SC140的DSP核提供的寄存器足夠使用，也就沒有了這種額外的運算開銷。
參照實施例對所公開的涉及StarCore140 DSP的一種運算處理方法的優(yōu)化方法進行了詳細描述，使本領域技術(shù)人員能夠理解，在不偏離本發(fā)明的原理和創(chuàng)新特性的情況下，本領域的技術(shù)人員可以對其進行形式和細節(jié)上的種種顯而易見的修改，但本發(fā)明不被以上描述的實施例所限，而是要在最寬泛的范圍內(nèi)符合本發(fā)明的原理和創(chuàng)新的特征。
權(quán)利要求
1.一種基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a.分析循環(huán)體內(nèi)代碼，進行分解拆細；b.對分解后的代碼進行簡單合并，消除冗余；c.將代碼按因果關(guān)系聚合成幾個代碼塊；d.確定代碼主干，將其它代碼塊聚合到代碼主干中，形成若干可以并行執(zhí)行的代碼塊，目的是使循環(huán)中并行塊的數(shù)目最少；e.在不改變代碼環(huán)繞的次序，不超出SC140數(shù)字信號處理器的資源限制和語言限制以及不出現(xiàn)代碼計算的因果性沖突的條件下以代碼塊錯位組合的方式來調(diào)整代碼組合；f.將原循環(huán)體中整合不到新循環(huán)體內(nèi)的頭尾部分代碼與原循環(huán)體以外部分代碼作并行合并處理；g.將代碼翻譯成SC140匯編語言。
2.如權(quán)利要求1所述的基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟a中的分解拆細循環(huán)體內(nèi)代碼是指將代碼拆成每行語句的內(nèi)部復雜度最小，且能與SC140匯編代碼一一對應。
3.如權(quán)利要求1所述的基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟d中的代碼主干是指循環(huán)內(nèi)運行時間最長的代碼塊。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟e中的以代碼塊錯位組合的方式來調(diào)整代碼組合，進一步包括e1.如果循環(huán)中總代碼長度超出代碼主干長度，可以調(diào)整代碼塊內(nèi)部個并行塊相對于主干的合并位置；e2.如果循環(huán)中代碼總長度等于代碼主干長度，可以將代碼主干的頭尾部分合并到一個并行塊中去。
全文摘要
一種基于StarCore數(shù)字信號處理器的并行運算處理的優(yōu)化方法，包括通過分析循環(huán)體內(nèi)代碼，進行分解拆細；對分解后的代碼進行簡單合并，消除冗余；將代碼按因果關(guān)系聚合成幾個代碼塊；確定代碼主干，將其它代碼塊聚合到代碼主干中；以代碼塊錯位組合的方式來調(diào)整代碼組合；將原循環(huán)體中整合不到新循環(huán)體內(nèi)的頭尾部分代碼與原循環(huán)體以外部分代碼作并行合并處理；將代碼翻譯成SC140匯編語言；本發(fā)明充分利用了DSP的資源，優(yōu)化后無論是對寄存器的需求還是代碼長度均小于現(xiàn)有優(yōu)化方法。
文檔編號G06F9/45GK1514358SQ0216054
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者陳翔, 丁劍鋒, 李火林, 藺榮巖, 周海軍, 溫占波, 陳 翔 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司