TMS320C55x的指令流水線及其效率的提高

關鍵詞：DSP TMS320C55x 指令流水線 自動保護機制

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位定點數(shù)字信號處理器（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）的基礎上發(fā)展而來的，其源代碼也與C54x的兼容。C55x達到了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競爭力的DSP產(chǎn)品。

　　C55x是從C54x的基礎上發(fā)展而來的，在結構上做了相當大的擴展，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)成本的標準，并將其進一步發(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每個功能的控制代碼可以比C54x的減少最多達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)以使外部存儲器訪問最少，改善數(shù)據(jù)吞吐率和省電。這種指令集的設計與低功耗需求結構的聯(lián)合使用，使得應用系統(tǒng)具有極高的性能。

　　C55x DSP的最大特點就在于，其強有力的并行特性和方便用戶編程的流水線自動保護機制，而C55x并行指令的實現(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，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列，這里面又包括提交地址、取指、預譯碼等4個階段；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、寫回結果等8個階段。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)運算單元(DU)，并管理全部的保護流水線，其具有的預測轉移能力可以避免條件指令執(zhí)行引起的流水線刷新。

2 TMS320C55x指令流水線的自動保護機制

　　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：當一條指令想寫入某寄存器時，前一指令還未完成對該寄存器的讀取操作，就會產(chǎn)生流水線沖突的問題，這時候就必須對流水線進行保護，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：在設計C54x程序時，就需要程序設計人員在可能發(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)行時能取到正確的操作數(shù)。時刻關注流水線的沖突問題，在編程時是非常麻煩的；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)嚴重。但幸運的是，C55x中的指令流水線具有自動保護機制，其自動保護機制會在可能引起沖突的指令之間自動增加不活動的周期，以避免沖突的發(fā)生。這些都是在指令執(zhí)行時自動加入的，不需要設計人員親自去添加等待周期，從而省去了在編程時對流水線沖突進行調(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保護機制，才使得設計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和延遲

　　雖然C55x的自動保護指令流水線結構降低了編程時的復雜度，但指令流水線的保護造成的延遲也是影響C55x程序執(zhí)行效率的一個重要方面。

　　指令流水線的執(zhí)行方式會產(chǎn)生流水線的沖突和保護，而C55x支持多指令同時執(zhí)行，流水線沖突與保護的問題更加嚴重。所以，減少流水線的沖突，即減少流水線保護造成的延遲，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機制所帶來的延遲。

　?、?對寄存器訪問的競爭是影響流水線保護和延遲的主要原因。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，就會造成流水線保護和延遲。在以寄存器為條件執(zhí)行指令的條件中，如果在測試條件時前面的指令對該寄存器的修改還未完成，也會造成流水線保護和延遲。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和延遲的主要原因。這時候，需要仔細安排指令的順序，避免對寄存器訪問的競爭；必要時可以采用加mmap()的方式，因為這會改變對相應的寄存器的讀取和修改的流水線階段，就有可能解決這個問題。

　　② 對存儲器訪問的競爭也是影響流水線保護和延遲的重要原因。C55x內(nèi)部存儲器分為SARAM和DARAM兩種。每個周期、每個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候，就會造成流水線延遲。這時侯，可以考慮將其中一個數(shù)組復制到另一個存儲器體中去，然后再執(zhí)行相應的操作。在安排程序位置的時候，將程序代碼放在SARAM區(qū)。因為，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，在同時訪問這些“位組”或“寄存器組”成員的時候，也會產(chǎn)生與同時訪問一個寄存器或存儲器地址類似的沖突，也會造成流水線延遲。

　?、?指令緩沖隊列也有可能造成流水線保護和延遲。指令緩沖隊列（IBQ）用于保存準備解碼執(zhí)行的指令，每次送出6字節(jié)的指令譯碼，同時從程序區(qū)取4字節(jié)的指令包補充。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致延遲。而在程序執(zhí)行出現(xiàn)子程序調(diào)用、跳轉、塊重復和循環(huán)等情況的時候，IBQ的內(nèi)容被刷新，需要重新取指填充IBQ，這也會造成流水線延遲。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計來實現(xiàn)這一點。例如，上面提到的流水線沖突會引起流水線保護從而造成延遲。此外，即使在沒有流水線保護的情況下，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、條件跳轉和塊重復循環(huán)等分支跳轉的情況時，處于指令流水線中各階段的預處理過的指令都要丟棄，必須重新取入新的指令并重新預處理后才能執(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指令，用單指令重復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)行時的功耗。條件執(zhí)行指令會根據(jù)條件是否成立來決定指令是否執(zhí)行，而不會像條件跳轉指令那樣產(chǎn)生跳轉，也就避免了出現(xiàn)分支跳轉的情況；而使用單指令重復和本地循環(huán)，在循環(huán)結構中的指令被取入指令緩沖隊列后就不再刷新指令緩沖隊列，而直接使用指令緩沖隊列中已經(jīng)取好的指令反復執(zhí)行，直到循環(huán)結束，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。因為，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，在整個循環(huán)指令長度較大時，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成本地循環(huán)的結構。

結 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。通過合理的程序設計，減少指令流水線的沖突以減少保護所造成的延遲，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。