引言
與專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）相比，英飛凌的C166單片機(jī)的DSP性能相當(dāng)差，為了提高C166單片機(jī)的DSP處理能力，英飛凌推出了新的16位單片機(jī)系列XC166,，XC166系列單片機(jī)與C166單片機(jī)的最主要的區(qū)別在于，XC166中的CPU核加入了乘法－累加（MAC）單元，用于提高DSP的功能,。MAC單元在XC166中是以一個(gè)算法處理單元出現(xiàn)的，類(lèi)似于CPU中的算術(shù)邏輯（ALU）單元,。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持XC166與C166的兼容性,。
MAC單元有自己的尋址模式和指令集，MAC指令集是專(zhuān)為開(kāi)發(fā)DSP程序而設(shè)計(jì)的,。獨(dú)立的尋址模式是為了保證MAS指令能在1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成對(duì)2個(gè)操作數(shù)的間接尋址,。與XC166中的一般尋址模式不同，MAC尋址模式有2個(gè)地址指針（IDX0/IDX1）及2對(duì)地址偏移指針（QX0/QX1,，QR0/QR1）用于對(duì)雙操作數(shù)尋址,。另外，單機(jī)器周期的MAC指令還要求MAC單元具有Harvard結(jié)構(gòu),，也即代碼與數(shù)據(jù)獨(dú)立尋址,。但英飛凌的16位單片機(jī)的存儲(chǔ)器地址都是線性的，采用的是Von Neumann結(jié)構(gòu),，代碼與數(shù)據(jù)在一個(gè)線性存儲(chǔ)空間,。為了在線性空間中實(shí)現(xiàn)Harvard結(jié)構(gòu),，XC166專(zhuān)門(mén)把MAC指令的兩個(gè)操作數(shù)中的一個(gè)定義在DPRAM中，所以,，在使用MAC單元時(shí)要特別注意,，有些操作數(shù)只能存在DPRAM中，否則,，指令無(wú)法正常運(yùn)行,。目前，XC166系列單片機(jī)配有2KB的DPRAM,，從地址0xF600到0xFDFF,。
由于硬件的要求，XC166單片機(jī)的指令流水線存在著不可避免的阻塞現(xiàn)象,，MAC單元指令也一樣,。盡管在硬件設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采用了專(zhuān)用模塊來(lái)減少阻塞，但有些阻塞是不可避免的,，從程序優(yōu)化的角度來(lái)說(shuō),，可以充分利用指令流水線阻塞現(xiàn)象，通過(guò)重排指令流水線上的指令,，消除阻塞,，以使得程序的運(yùn)行時(shí)間縮短，從而達(dá)到優(yōu)化的目的,。
通常DSP優(yōu)化方法可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是與芯片相關(guān)的,，另一類(lèi)是與芯片無(wú)關(guān)的。與芯片無(wú)關(guān)的優(yōu)化方法獨(dú)立于單片機(jī)硬件,，適用于所有單片機(jī)及DSP處理器,，下面根據(jù)使用XC166單片機(jī)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一些優(yōu)化DSP程序的方法。
1 通用優(yōu)化方法
1.1 數(shù)據(jù)組處理
數(shù)據(jù)組處理的基本思想是通過(guò)成組的處理數(shù)據(jù),，以節(jié)約每次調(diào)用處理子程序所需的附加指令,。數(shù)據(jù)組處理可以在C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言程序中實(shí)現(xiàn)。一般而言,，對(duì)于開(kāi)發(fā)DSP程序,，最常用的程序語(yǔ)言為C和匯編。下面分別介紹如何在C和匯編程序中使用數(shù)據(jù)組處理優(yōu)化方法,。
（1）C程序
在C環(huán)境中開(kāi)發(fā)DSP程序,，通常算法本身由匯編編寫(xiě)，以便優(yōu)化實(shí)現(xiàn),。C主程序通過(guò)調(diào)用匯編實(shí)現(xiàn)的核心處理子程序來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理,。核心處理子程序有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是數(shù)組處理，另一種是單值處理,，假設(shè)單值處理子程序的核心部分與數(shù)組處理子程序的核心部分所需機(jī)器周期相同,，并且調(diào)用子程序的前期處理需M個(gè)機(jī)器周期，后期處理需要N個(gè)機(jī)器周期,，如果子程序被調(diào)用K次,，那么理想情況下，數(shù)據(jù)組處理可以節(jié)約（K－1）（M＋N）個(gè)機(jī)器周期,，如圖1所示,。
（2）匯編程序
在匯編程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組處理有多種方法，比如數(shù)組操作,，數(shù)組讀入/寫(xiě)出等,。
1、數(shù)組操作,。數(shù)組操作是將多個(gè)不同的短操作數(shù)裝入一個(gè)長(zhǎng)位數(shù)的寄存器,，然后進(jìn)行運(yùn)算操作。比如,，1個(gè)16位的寄存器可以裝入2個(gè)8位的來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。下面舉例說(shuō)明數(shù)據(jù)組處理在匯編程序中的應(yīng)用,。
2,、數(shù)組讀入寫(xiě)出。這種方法是將多個(gè)短操作數(shù)合并為一個(gè)長(zhǎng)操作數(shù)后進(jìn)行讀入/寫(xiě)出操作,，如上面例子中的輸入/輸出部分,。
1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交織
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交織的目的是通過(guò)重新排列數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的位置，以使得程序讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)間最短,，比如有2個(gè)8位的復(fù)數(shù)x和y,，一般情況下，復(fù)數(shù)將按下列順序存入內(nèi)存：real（x）,，image（x）,，real（y），image（y）,。但如果想使得讀取復(fù)數(shù)的實(shí)部更容易,，可以把數(shù)據(jù)重新排列如下：real（x），real（y）,，image（x）,，image（y），如圖2所示,。
1.3 循環(huán)展開(kāi)
循環(huán)展開(kāi)是一種非常傳統(tǒng)的程序優(yōu)化方法,，可以用于所有程序優(yōu)化中，循環(huán)展開(kāi)的目的是通過(guò)重復(fù)循環(huán)中的程序，減少循環(huán)次數(shù),，從而減少循環(huán)判斷指令的執(zhí)行次數(shù),，以此來(lái)降低程序執(zhí)行所需的機(jī)器周期，下面舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明循環(huán)展開(kāi)在XC164CS單片機(jī)中的應(yīng)用,。
1.4 指令流水線重排
指令流水線重排的意思是通過(guò)軟件程序中的指令重排來(lái)改變指令流水線,，以此來(lái)排除由于硬件引起的指令堵塞，從而加快程序的運(yùn)行時(shí)間,。這種優(yōu)化操作通常用在匯編程序中,，指令流水線重排是一個(gè)一般的優(yōu)化原理，把這個(gè)原理用于不同類(lèi)型的單片機(jī)可以導(dǎo)出不同的與單片機(jī)硬件相關(guān)的優(yōu)化方法,。下面介紹的基于XC166單片機(jī)的優(yōu)化方法主要是應(yīng)用這個(gè)優(yōu)化原理得到的,。
2 與芯片相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)
2.1 XC166指令流水線
XC166單片機(jī)指令流水線共有7級(jí)，前兩級(jí)為取指令流水線,，后5級(jí)為執(zhí)行流水線,，所有指令都必須經(jīng)過(guò)5級(jí)執(zhí)行流水線的每一級(jí)。
第1級(jí)--指令預(yù)取,。這一級(jí)根據(jù)預(yù)測(cè)順序,，把指令從程序管理單元（PMU）取出，取出的指令在跳轉(zhuǎn)檢測(cè)單元進(jìn)行前期處理,，以檢測(cè)是否有跳轉(zhuǎn),，預(yù)測(cè)邏輯決定是否接收轉(zhuǎn)移。
第2級(jí)--取指令,。根據(jù)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)規(guī)則計(jì)算出下一條被取指令的指針,。對(duì)于零機(jī)器周期轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移合并單元先預(yù)處理,，并將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)移與正在執(zhí)行的指令結(jié)合起來(lái),。預(yù)取出的指令存在FIFO緩存器中，同時(shí),，下一條要執(zhí)行的指令輸出FIFO緩存器,，進(jìn)入執(zhí)行流水線。
第3級(jí)--譯碼,。指令被譯碼,，如需要，在間接尋址模式中,，寄存器文件將被訪問(wèn),，以讀取通用寄存器GPR。
第4級(jí)--尋址,。計(jì)算所有操作數(shù)地址,，對(duì)于所有隱含訪問(wèn)系統(tǒng)堆棧的指令,，堆棧指針遞減或增加。
第5級(jí)--存儲(chǔ),。所有需要的操作數(shù)被取出,。
第6級(jí)--執(zhí)行。使用已取出的操作數(shù)進(jìn)行MAC單元操作,。對(duì)于非MAC單元指令,，在這一級(jí)中，指令將由算術(shù)邏輯單元（ALU）執(zhí)行,。條件標(biāo)志被更新,，執(zhí)行所有直接對(duì)CPU特殊功能寄存器CPU_SFRs進(jìn)行寫(xiě)操作的指令，在間接尋址時(shí),，作為地址指針的GPRs自動(dòng)遞減或增加,。
第7級(jí)--寫(xiě)回。所有外部操作數(shù)以及剩余的,，在內(nèi)部DPRAM空間內(nèi)的操作器被寫(xiě)回,。定位在內(nèi)部SRAM中的操作數(shù)進(jìn)入寫(xiě)回緩沖區(qū)。
下面給出一個(gè)具體例子：
上面程序的指令流水線如表1所列,，（Tn表示機(jī)器周期）
2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)性排除
在XC166的CPU中,，由于指令流水線的設(shè)計(jì)要求，在使用通用寄存器（GPRs）的指令之間存在一些數(shù)據(jù)相互依賴(lài)的情況,，盡管XC166單片機(jī)已經(jīng)使用了專(zhuān)用硬件來(lái)檢測(cè)及解決數(shù)據(jù)相關(guān)性,，但仍然有一些不可避免的數(shù)據(jù)相關(guān)性。在編程時(shí),，可以充分利用數(shù)據(jù)相關(guān)性來(lái)達(dá)到程序優(yōu)化的目的，比如,，在用GPR作為間接尋址指針時(shí),，如果PGR中的地址值被改變，間接尋址操作必須等待2個(gè)機(jī)器指令周期后,，才能使用GPR作為地址指針尋址,。在這種情況下，可以在這2個(gè)等待機(jī)器周期內(nèi)插入2條其他單機(jī)器周期指令,，充分利用這2個(gè)周期的等待時(shí)間以便程序更優(yōu)化,。
下面舉一個(gè)例子：
另外一種數(shù)據(jù)相關(guān)性發(fā)生在間接尋址訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，XC166單片機(jī)中的地址產(chǎn)生單元使用推測(cè)原理,，在地址譯碼前,，數(shù)據(jù)的讀取路經(jīng)將根據(jù)歷史記錄表中選出；在歷史記錄表中,，每個(gè)GPR都有一個(gè)入口,。這些入口記錄了用相應(yīng)GPR所訪問(wèn)的內(nèi)存空間情況。如果這種預(yù)測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤，讀取操作必須重新開(kāi)始,。
因此,，如果用GPR作為間接尋址，GPR最好能指向相同內(nèi)存空間,。如果更新后的GPR指向不同內(nèi)存空間,，下一個(gè)操作將出現(xiàn)訪問(wèn)錯(cuò)誤，讀操作必須重復(fù),，這就產(chǎn)生了指令流水線堵塞,。例如：
2.3 內(nèi)存帶寬沖突排除
如果在流水線上的指令在同一時(shí)間訪問(wèn)同一內(nèi)存，就會(huì)發(fā)生內(nèi)存帶寬沖突,，MAC單元的CoXXX指令是特別為實(shí)現(xiàn)DSP設(shè)計(jì)的,。為了避免在DPRAM中發(fā)生帶寬沖突，CoXXX指令的其中一個(gè)操作數(shù)必須放在SRAM中,，以保證在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行MAC單元指令,。例如：
2.4 指令重排
在用MAC單元指令編程時(shí)，經(jīng)常要改變MAC單元的特殊功能寄存器,，比如IDX0,，IDX1、QX0,、QX1,、QR0以及QR1等，在XC166單片機(jī)中,，有一些指令將會(huì)阻塞在譯碼階段,，如果這些指令正好在一條修改特殊功能寄存器（SFR）指令之后執(zhí)行，這種阻塞將引起3個(gè)機(jī)器周期的延時(shí),。
這些指令包括：
◇使用長(zhǎng)地址模式的指令,；
◇使用間接尋址的指令，除JMPS和CALLI外,；
◇所有MAC單元指令（CoXXX指令）,。
為了避免指令阻塞，在使用上述指令時(shí),，如有阻塞情況發(fā)生,，應(yīng)該重新重排指令，以消除延時(shí),，例如：
3 結(jié)論
用于英飛凌XC166單片機(jī)的DSP優(yōu)化技術(shù)分為兩類(lèi)：與硬件相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)和獨(dú)立于硬件的優(yōu)化技術(shù),。獨(dú)立于硬件的優(yōu)化技術(shù)也可以用于其他的單片機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理器。