基于ARM處理器的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)
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隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療衛(wèi)生、無(wú)線技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者必須面對(duì)務(wù)種復(fù)雜的挑戰(zhàn)，其中就包括如何在代碼性能和系統(tǒng)成本之間進(jìn)行平衡。在這方面，ARM處理器可以提供給開(kāi)發(fā)者業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)方案ARMCortex系列提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)滿足各種技術(shù)的不同性能要求，是專門針對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高性能而設(shè)計(jì)的，它大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，其成熟的技術(shù)使ARM架構(gòu)成為各種應(yīng)用的上佳選擇。
ARM Cortex處理器的統(tǒng)一技術(shù)是Thumb-2技術(shù)，它以現(xiàn)有的ARM技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了ARM指令和Thumb指令的優(yōu)勢(shì)，對(duì)優(yōu)化嵌人式軟件設(shè)計(jì)具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，提供了最佳的代碼密度，能更合理地使用存儲(chǔ)器，對(duì)于靠近處理器內(nèi)核的高速存儲(chǔ)器至關(guān)重要，即使只節(jié)省小部分內(nèi)存，也將大大提高系統(tǒng)的性能，大幅降低功耗。
1 Thumb-2 指令簡(jiǎn)介
并非所有的運(yùn)算都能夠映射到Thumb指令集，有時(shí)需要多條Thumb指令來(lái)模擬一條32位指令的任務(wù)。而且Thumb指令不能訪問(wèn)協(xié)處理器，不能使用異常中斷指令，不支持媒體功能，當(dāng)應(yīng)用中有這些需求而且對(duì)存儲(chǔ)器窄問(wèn)要求較高時(shí)，必須混合使用ARM指令和Thumb指令，處理器內(nèi)核根據(jù)需要切換到Thumb狀態(tài)以獲取高代碼密度或切換到ARM狀態(tài)以獲取出色的性能。在開(kāi)發(fā)階段，為r充分利用存儲(chǔ)器，需要反復(fù)調(diào)整哪些代碼使用ARM指令、哪些代碼使用Thumb指令。往往只有等到軟件和硬件完成后，才能最終決定ARM/Thumb指令的使用方式，這些因素會(huì)使開(kāi)發(fā)流程變得非常復(fù)雜。
Thumb-2技術(shù)足對(duì)ARM架構(gòu)的非常重要的擴(kuò)展，它可以改善Thumb指令集的性能。Thumb-2指令集在現(xiàn)有的Thumb指令的基礎(chǔ)上做了如下的擴(kuò)充：
· 增加了一些新的16位Thumb指令來(lái)改進(jìn)程序的執(zhí)行流程
· 增加了一些新的32位Thumb指令以實(shí)現(xiàn)一些ARM指令的專有功能。
· 擴(kuò)充原有的ARM指令，增加了一些新的指令來(lái)改善代碼性能和數(shù)據(jù)處理的效率。
使用Thumb-2指令就不需要在ARM/Thumb狀態(tài)之間反復(fù)切換了，代碼密度和性能得到的顯著的提高。
2 使用Thumb-2指令優(yōu)化設(shè)計(jì)
對(duì)于已經(jīng)有ARM處理器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的嵌入式開(kāi)發(fā)工程師析言，使用Thumb-2技術(shù)是非常簡(jiǎn)單的，因?yàn)門humb-2技術(shù)是在ARM和Thumb基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)創(chuàng)新后發(fā)展起來(lái)的，它繼承了原有的基本編程方法，同時(shí)具備ARM/Thumb不可比擬的優(yōu)越性。開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)嵌入式軟件時(shí)，只需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)整體性能影響最大的那部分代碼設(shè)計(jì)，就能夠平衡好性能、代碼密度和功耗之間的關(guān)系。
2．1 減小漢名(Hamming)距離
表1漢名距離變化對(duì)比
如表1所示，兩組代碼都是用于計(jì)算表達(dá)式(x1+x2)x(x3-x4)的值，分別使用3條指令束實(shí)現(xiàn)。每條指令先成的功能、字書數(shù)、寄存器的使用數(shù)目、操作碼都完全一樣，不同之處就是各寄存器操作數(shù)的二進(jìn)制編碼不同。
Rd代表目標(biāo)寄存器，Rn和Rm代表源操作數(shù)寄存器。執(zhí)行原代碼時(shí)，Rd的比特位變化4次，Rn和Rm分別變化3次和5次，操作數(shù)總的比特位變化12次。執(zhí)行優(yōu)化后的代碼時(shí)，操作數(shù)總的比特位變化為6次，僅為原代碼的一半，能有效地降低指令執(zhí)行時(shí)的功耗。
2．2擅用16位常數(shù)指令
Thumb-2指令集中增加了2條關(guān)于16位常數(shù)的新指令。MOVW可以把一個(gè)16位常數(shù)加載到寄存器中，并用0填充寄存器的高16位；另一條指令MOVT可以把一個(gè)16位常數(shù)加載到寄存器的高16位中。這兩條指令組合使用就可以把一個(gè)32位常數(shù)加載到寄存器中。
操作32位立即數(shù)或是訪問(wèn)外設(shè)，都需要把32位常數(shù)加載到寄存器中。對(duì)于原來(lái)的ARM/Thumb指令系統(tǒng)，因指令編碼位數(shù)限制．最多只能使用12位常數(shù)，且其有效位數(shù)只有8位，另外4位用于移位。對(duì)任意一個(gè)32位的立即數(shù)或者一個(gè)地址值讀取到寄存器需要使用到LDR偽指令，編澤器把該32位數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，同時(shí)用基于PC的LDR指令讀取該數(shù)據(jù)，程序執(zhí)行時(shí)，會(huì)在處理器中引起額外的開(kāi)銷，這些開(kāi)銷來(lái)自于需要額外的時(shí)鐘周期使數(shù)據(jù)端口能夠?qū)χ噶盍鬟M(jìn)行訪問(wèn)。
用兩條指令把32位常數(shù)分成兩個(gè)16位常數(shù)分兩次加載到寄存器中，意味著數(shù)據(jù)直接在指令流內(nèi)部，不再需要通過(guò)數(shù)據(jù)端口來(lái)訪問(wèn)。相對(duì)于LDR偽指令方式，這種解決辦法可以消除通過(guò)數(shù)據(jù)端口訪問(wèn)指令流的額外開(kāi)銷，進(jìn)而提高性能，降低功耗。
2．3靈活應(yīng)用位操作指令
嵌入式軟件開(kāi)發(fā)者經(jīng)常會(huì)碰到位操作方面的問(wèn)題，如需要對(duì)某個(gè)變量中的某幾位賦值或復(fù)位。提取寄存器的部分?jǐn)?shù)據(jù)位信息，寄存器中插入固定比特信息等，開(kāi)發(fā)人員往往采用邏輯運(yùn)算指令和移位操作指令的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。如表2所爾，兩組代碼完成的功能一樣，把寄存器R1和寄存器R2的有用信息集中壓縮到寄存器R0中，以節(jié)省寄存器。R1的有用信息為R1[15：0]，R2的有用信息為R2[24：8]。對(duì)于原代碼，因?yàn)樾枰帘渭拇嫫鱎1和R2的16位數(shù)據(jù)，需要16位常數(shù)參與，所以使用MOVW指令把16位常數(shù)引入，完成程序功能共用了4條指令，還額外使用寄存器R3來(lái)存放中間變量。優(yōu)化后的代碼只需要一條指令即可實(shí)現(xiàn)，而且不需要額外的寄存器參與計(jì)算。
表2位操作指令對(duì)比
除PKHBT指令外。Thumb-2技術(shù)還提供PKHTB、BFC、BFI、SBFX、UBFX等位操作指令。這樣，開(kāi)發(fā)者進(jìn)行比特位的插入和抽取所需的指令數(shù)目就可以明顯減少，使用壓縮的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會(huì)更加方便。而代碼對(duì)寄存器的需求也會(huì)降低。
評(píng)論