如何實現高性能的DSP處理

　應用開發通常開始于在個人電腦或工作站編寫的C原型代碼，然后將代碼移植到嵌入式處理器中，并加以優化。本系列文章則將這種層面的優化在系統級擴展到包括以下三方面的技術：內存管理，DMA管理，系統中斷管理。這些優化措施與程序代碼優化同樣重要。

　　在大多數系統中，有很多的數據需要傳輸，并需要很高的數據傳輸速率。因此，你最終會混合使用處理器中的所有存儲器，如內部存儲器和外部存儲器。

　　軟件架構選擇

　　在開始設計之前，我們必須確定使用什么類型的軟件“架構”，所謂架構是在嵌入式系統中搬移程序代碼和數據的軟件底層結構。由于架構定義了使用多少存儲和其他系統資源，因此，架構也影響系統的性能。設計的架構也能反映某些性能特性、是否易于使用，以及其他應用要求。軟件架構劃分為以下幾類：高速實時處理；易編程要求優于對性能的要求；以性能為第一考慮。

　　第一類高速實時處理架構，對于安全性至關重要的應用程序或沒有外部存儲器的系統是很理想的。在這種情況下，要么是無法忍受緩沖數據所需的時間，或者是沒有相應的系統資源，由于沒有外部存儲器，故所有工作都需在片內完成。在這種情況下，需要先讀取并處理數據，再進行判決，然后刪除數據。然而，這里必須保證的是，在當前幀的所有處理完成前正在使用的緩沖數據幀不會被覆蓋。

　　例如，車道偏離系統就是一個安全性至關重要的應用。在這個系統中，通常不能在做出判斷前等待33毫秒的全幀數據，更好的做法是處理幀的一部分。例如，您可以從幀末尾處開始檢測車道，因此只需讀入數據幀末尾部分的數據。

　　第二種架構通常用在是否易于編程是最重要的考慮因素的情況。這種架構對于需要快速面市的應用，以及需要迅速開發樣機和易于編程超過對性能的要求等應用都是十分理想的，它也同樣降低了開發難度。

　　當需要達到系統的最優性能時，第三類架構就是合適的選擇。由于重點是性能，所以需要對某些因素，諸如處理器、數據流、帶寬效率和優化技術等的選擇，做仔細的考慮。然而，這種架構的不足之處在于可復用性和可升級性方面有所降低。

　　在開發周期中，事先規劃好指令和數據流是十分重要的，這也包括對是否需要外部存儲器或者緩存做出重要決定。這樣，開發人員就可以集中精力利用處理器的結構特點，并調整性能，而不需要重新審視初始設計。

　　高速緩存概述

　　高速緩存能夠以很快的存取時間(通常是單個周期)將指令和數據存儲在處理器片內存儲器中。高速緩存的實現是因為減少了系統對單周期訪問的存儲器資源數量的需求。基于高速緩存的處理器結構，開始時將數據放置在低成本的低速外部存儲器中，需要時，高速緩存可自動地將其中的指令和數據傳輸到處理器的片內存儲器。

　　指令和數據高速緩存為Blackfin處理器核提供了最高帶寬的傳輸路徑，但高速緩存存在的問題是它不能預測程序接下來需要的究竟是哪些數據和指令，因此，高速緩存提供了一些功能，使用戶可以控制高速緩存的操作。在Blackfin處理器中一些關鍵的指令段就可以鎖定到高速指令緩存中，這樣在需要的時候可以直接使用。

　　值得注意的是，當高速緩存決定需要保留哪些指令時，它會自動保留最近使用最多的指令段。由于DSP軟件花費大部分的時間在循環上，這樣DSP程序往往會重復訪問相同的指令。因此，在不需要任何用戶干預情況下，指令高速緩存可以大大提高系統性能。

　　此外，除了高速指令緩存的功能外，高速數據緩存還提供了“直寫”和“回寫”模式。在“直寫”模式中，在高速緩存中對數據的修改要傳送到外部存儲器中。總之，編程最好開始采用“回寫”模式，可以提高10-15％的效率，在大多數算法中，比“直寫”模式更加有效率。如果數據在多種資源中需要共享，由于要維護數據的一致性，因此采用“直寫”模式也是有用的。比如，在ADSP-BF561處理器中，要實現兩個處理器核數據的共享，則“直寫”模式就十分有用。在單核處理器中，如果DMA控制器和高速緩存訪問同樣的數據，這種模式也是有益的。

　　利用DMA提升性能

　　DMA是提高系統性能的另一個有效工具。因為DMA的訪問獨立于處理器核，處理器核可以專注于處理數據。在理想的配置中，處理器核只需要設置DMA控制器，并在數據傳輸完畢時響應中斷即可。

　　通常，高速外設和其他大多數外設都具有DMA傳輸能力。某些DMA控制器也允許外部存儲器與內部存儲器，以及存儲器空間內的數據傳遞。若設計者仔細地設計系統，將取得巨大的性能提升，因為任何DMA控制器傳輸的數據都不需要處理器核“操心”。

　　Blackfin處理器支持二維DMA的傳輸，如圖1所示。左側顯示的是輸入緩沖區數據，紅、綠、藍三基色數據交替放置。一維到二維的DMA轉換將交替的數據轉換成獨立的紅、綠、藍數據。圖1的左下角為讀入數據的偽程序代碼。如果沒有DMA控制器，這些數據傳輸就只能由處理器核完成。使用DMA 控制器后，則DMA負責數據傳輸，傳輸完畢并中斷處理器核，處理器核則可解放出來做其他任務，如數據處理等。

　　圖1：二維DMA存儲器訪問模式。

　　DMA也可以與高速緩存聯合使用。通常，DMA傳輸首先將高速外設中的數據讀入到處理器的外部存儲器，數據高速緩存則將數據從外部存儲器讀入到處理器內部。進行這種操作通常需要使用“乒乓”緩沖器，一個緩沖區用于數據傳輸，另一個用于數據處理，圖2說明了這種操作方式。DMA控制器將數據傳輸到 buffer0時，處理器核則訪問buffer1，反之亦然。

　　圖2：DMA和高速緩存聯合使用時數據一致性的維護。

　　當聯合使用DMA和高速緩存時，維持DMA控制器讀入的數據與高速緩存中數據的一致性是很重要的，圖2說明了如何完成這一操作。當外設生成新的數據，DMA控制器則將數據放置在一個新的緩沖區，并產生中斷，通知處理器核可以處理這些數據。當處理器核處理該緩沖區數據前，與該緩沖區相應的高速緩存行被設為無效，從而強制高速緩存從主存儲器中取出數據，這樣就可以確保一致性。這種方法主要的缺點是它不能達到單一DMA模型的性能，這里DMA控制器采用將緩沖區的數據直接讀入內部存儲器的模式。

　　指令劃分

　　指令劃分(instruction partitioning)通常比較簡單。如果程序代碼能容納在內部存儲器中，只需要關閉指令高速緩存，直接把程序代碼映射到內部存儲器就可以獲得最大的效能。然而，多數應用程序代碼不能全部容納在內部存儲器中，所以必須打開高速指令緩存。

　　高速緩存容量通常小于外部存儲器，但這并不是一個問題，因為對于多數嵌入式軟件，“通常20％的程序代碼的運行時間占整個運行時間的80％”。大多數情況下，最耗時間的程序代碼都很小，足夠放置到高速緩存中，所以高速緩存器能夠充分發揮其作用。

　　為了提高性能，還可以使用指令的線鎖機制(line-locking mechanism)，鎖定程序的最關鍵的部分代碼。如需要進一步提高性能，可以關閉指令高速緩存并采用“存儲器覆蓋”的機制代替，該機制使用DMA將程序代碼傳輸到一個存儲器塊，而同時在另一個存儲器塊上執行操作。

　　數據劃分

　　數據劃分通常沒有指令劃分那么簡單。和程序代碼劃分一樣，如果數據緩沖區可以被容納在內部存儲器中，你就沒有多余的工作。如果不是，首要任務就是要區分靜態數據(如用于查找表)和動態數據。數據高速緩存在靜態數據方面使用較好，而DMA通常在動態數據方面性能更佳。

　　即使使用了數據高速緩存，也通常需要設立一個外設DMA傳輸通道，將數據從外設傳輸到外部存儲器。如果采用了數據高速緩存，可以將這些數據讀入到內部存儲器，只要在訪問數據前使高速緩存的緩沖區無效即可。如果正在使用DMA，則可以建立DMA傳輸，將數據從外部存儲器讀入到內部存儲器。