使用CLT 工具優(yōu)化C6000 代碼

摘 要

在C6000 DSP 的開發(fā)過程中，優(yōu)化是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)對(duì)象不同可以分為系統(tǒng)，算法，代碼以及內(nèi)存優(yōu)化。通常，開發(fā)者熟悉自己的代碼，會(huì)從前三個(gè)方面修改以獲得整體性能的提升，但是對(duì)于內(nèi)存尤其是緩存(Cache)的優(yōu)化，因?yàn)槠渖婕暗叫酒旧淼募軜?gòu)，Cache 的維護(hù)由 DSP 自動(dòng)完成，用戶通常不能干預(yù)，所以似乎無從著手;考慮到這些實(shí)際的問題，從 TI 的 7.0 系列編譯器開始支持使用緩存優(yōu)化工具(Cache Layout Tools)對(duì) C6000 代碼進(jìn)行優(yōu)化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成 L1P Cache 性能的提升，本文詳細(xì)介紹了該工具的使用方法。

1. 引言

目前，使用TI DSP 的用戶越來越多，在C6000 系列DSP 中，包含了C64x, C64x+, C66x 等。在C6000 DSP 的開發(fā)過程中，為了充分利用DSP 的計(jì)算資源，需要對(duì)用戶程序進(jìn)行優(yōu)化的工作，根據(jù)對(duì)象不同可以分為系統(tǒng)，算法，代碼以及內(nèi)存優(yōu)化。通常，開發(fā)者熟悉自己的系統(tǒng)和代碼，可以比較方便的從前三個(gè)方面修改以獲得整體性能的提升，但是對(duì)于內(nèi)存尤其是緩存(Cache)的優(yōu)化，因?yàn)槠渖婕暗叫酒旧淼募軜?gòu)，Cache 的維護(hù)由DSP 自動(dòng)完成，用戶通常不能干預(yù)，所以似乎無從著手;考慮到這些實(shí)際的問題，從TI 的7.0 系列編譯器開始支持使用緩存優(yōu)化工具(Cache Layout Tools)對(duì)C6000 代碼進(jìn)行優(yōu)化，通過這一系列的工具，可以很輕松的完成L1P Cache 性能的提升，本文詳細(xì)介紹了該工具的使用方法。

2. C6000 DSP 內(nèi)核緩存機(jī)制

C6000 系統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如下圖所示。

存儲(chǔ)器分成三級(jí)：第一級(jí)是L1，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(L1D)和代碼存儲(chǔ)器(L1P);第二級(jí)是代碼和數(shù)據(jù)共用存儲(chǔ)器(L2 以及MSMC SRAM);第三級(jí)是外部存儲(chǔ)器，主要是DDR 存儲(chǔ)器。L1P、L1D 和L2的Cache 功能分別由相應(yīng)的L1P 控制器、L1D 控制器和L2 控制器完成。

在C6000 DSP 中通常我們會(huì)把L1P 全部配置成Cache，當(dāng)CPU 發(fā)出取指命令，首先會(huì)從L1P 里查找，如果L1P 找不到，則到下一級(jí)Cache 或者M(jìn)emory 里查找，當(dāng)找到需要的地址，則將其讀入L1P 里，CPU 從中讀取執(zhí)行。

因?yàn)長(zhǎng)1P Cache 的大小是有限的(本文以32KB 為例)，而用戶內(nèi)存空間一般大于32KB， 必須采取一種映射的方式使得所有地址都能被L1P 緩存;在C6000 DSP 中，L1P Cache 使用地址直接映射，所有DSP 核可訪問的地址對(duì)L1P Cache 大小(32K)取模就能得到該地址在L1P Cache 的偏移值。

如果用戶代碼在內(nèi)存排布不合理，可能會(huì)在L1P Cache 中發(fā)生反復(fù)的內(nèi)容替換，下圖中的例子是一個(gè)極端情況。

TOP 函數(shù)中FOR 循環(huán)反復(fù)調(diào)用A 函數(shù)，而A,B,C 三個(gè)函數(shù)在內(nèi)存地址的分布上，與32KB 邊界的偏移地址是一樣的，因此，A,B,C 將對(duì)應(yīng)L1P 里同一個(gè)CACHE 位置;其運(yùn)行流程如下

· 當(dāng)執(zhí)行A 時(shí)，CPU 需要把A 函數(shù)調(diào)入到Cache 偏移值N 的位置上;

· A 調(diào)用B，此時(shí)調(diào)入B 到Cache 偏移值N 的位置上，覆蓋A 的代碼;

· B 調(diào)用C，此時(shí)調(diào)入C 到Cache 偏移值N 的位置上，覆蓋B 的代碼;

· C 返回，下一次循環(huán)調(diào)入A 到Cache 中覆蓋C 的代碼。

DSP 核對(duì)L1P，L2，DDR 的訪問速度差異很大，對(duì)L1P 的訪問通常在1 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，而L2 平均需要 3-5 個(gè)周期，DDR 訪問需要的時(shí)間更多，因此我們應(yīng)該盡量避免上述這種反復(fù)重寫Cache的情況，盡可能的減少函數(shù)在Cache 中的置換。

如何解決該問題?最好的解決方法則是將A, B, C 在內(nèi)存中連續(xù)排放，這樣對(duì)Cache 的操作次數(shù)將降到最低，能夠有效的提高執(zhí)行效率，如下圖所示，只要A，B，C 總的大小不超過32KB， 它們?cè)贑ache 中的偏移值就是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生覆蓋的現(xiàn)象，即使其總和大于32KB，發(fā)生置換的也僅僅是超過32K 的部分。

3. 內(nèi)存優(yōu)化工具

通過上述機(jī)制可以看到，對(duì)于L1P Cache 的優(yōu)化主要通過分析函數(shù)調(diào)用關(guān)系和其在內(nèi)存的分布。由于用戶代碼日益復(fù)雜，人工分析代碼調(diào)用關(guān)系和地址排布需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，從7.0 系列編譯工具開始，TI 提供了一套內(nèi)存優(yōu)化工具 (Cache Layout Tools) 來幫助用戶輕松快捷地解決該問題。

該工具的原理是在用戶進(jìn)行程序編譯時(shí)打開生成分析信息選項(xiàng)，編譯器會(huì)自動(dòng)加入分析記錄代碼到用戶程序里，之后用戶在TI DSP simulator 或者DSP 芯片上運(yùn)行該可執(zhí)行文件，內(nèi)置的分析代碼會(huì)自動(dòng)記錄用戶的函數(shù)調(diào)用關(guān)系及調(diào)用次數(shù)。運(yùn)行的案例越多，記錄的信息會(huì)更詳細(xì)，優(yōu)化的效果也就越好。

在得到函數(shù)運(yùn)行時(shí)信息以后，就可以使用編譯器工具對(duì)其進(jìn)行分析，生成函數(shù)排布的順序，最后將此排布順序輸入到編譯器里重新編譯原代碼，生成的可執(zhí)行文件就已經(jīng)優(yōu)化過內(nèi)存排布，具體的操作可以參照以下實(shí)例。

4. 實(shí)例教程

該實(shí)例主要由三個(gè)C 文件組成，

實(shí)例中使用DSP 計(jì)數(shù)器 TSCL 來統(tǒng)計(jì)cycle 數(shù)，子函數(shù)放在sub 目錄下。

使用實(shí)例的步驟如下，

1. 編譯代碼

使用TI 編譯器對(duì)該實(shí)例進(jìn)行編譯，為了產(chǎn)生用于profile 的信息，需要在編譯時(shí)增加 -- gen_profile_info 選項(xiàng)。如果使用命令還形式，命令行下運(yùn)行Compile.bat 文件，cl6x 的具體參數(shù)可以參考spru186 和spru187 兩篇文檔，一般可以在編譯器的安裝目錄下找到他們，如C:Program Files (x86)Texas InstrumentsC6000 Code Generation Tools 7.3.9doc。