不浮躁
分类： LINUX
2014-11-14 21:27:21
原文地址：高质量程序优化总结整理【经典】 作者：wxju168
上述的三个阶段不是都必须经过，当在某一阶段获得了期望的性能，就不必进行下一阶段的优化。
1) 选用C编译器提供的优化选项
在编译器中提供了分为若干等级和种类的自动优化选项，如下：
● -o：使能软件流水和其他优化方法
● -pm：使能程序级优化
● -mt：使能编译器假设程序中没有数据存储混淆，可进一步优化代码。
● -mg：使能分析（profile）优化代码
● -ms：确保不产生冗余循环，从而减小代码尺寸
● -mh：允许投机执行
● -mx：使能软件流水循环重试，基于循环次数对循环试用多个方案，以便选择最佳方案。
根据实际编译的程序，选择合适的优化选项，进行源程序的优化。
2) 减小存储器相关性
为使指令达到最大效率，C64X编译器尽可能将指令安排为并行执行。为使指令并行操作，编译器必须知道指令间的关系，因为只有不相关的指令才可以并行执行。当编译器不能确定两条指令是否相关时，则编译器假定它们是相关的，从而不能并行执行。设计中常采用关键字const来指定目标，const表示一个变量或一个变量的存储单元保持不变。因此，在代码中加入关键字const，可以去除指令间的相关性。例如下面的程序：
void vecsum(short *sum,short*in1,short*in2,unsigned int N)
{
int i;
for(i=0;i
}
由其相关图2(a)可见，写sum可能对指针in1、in2所指向的地址有影响，从而in1和in2的读操作必须等到写sum操作完成之后才能进行，降低了流水效率，为帮助编译器确定存储器的相关性，使用const关键字来指定一个目标，上面的源程序可改为含关键字const的优化源代码：
void vecsum(short * sum, const short*in1,const short*in2,unsigned int N)
{
int i;
for(i=0;i
}
由其相关图2(b)可见，由于使用了关键字const，消除了指令之间的相关路径，从而使编译器能够判别内存操作之间的相关性，找到更好的指令执行方案。
3) 使用内联函数（intrinsics）
内联函数是C64X编译器提供的专门函数，它们与嵌入式的汇编指令是一一对应的，其目的是快速优化C源程序。在源程序中调用内联函数，与调用一般的函数相同，只不过内联函数名称前有下划线作特殊标识。当汇编指令功能不易采用C语言表达时，可采用内联函数表示。例如在定点运算中经常要求出源操作数的冗余符号位数，这一功能如果用C完成的话，需要如下的代码：
unsigned int norm(int src1)
{
unsigned int sign, result = 0;
sign = src1 & 0x80000000;
while(1)
{
if(sign)
{
if((src1 = src1 << 1) & sign)
result += 1;
else
return result;
}
else
{
if((src1 = src1 << 1) | sign)
return result;
else
result += 1;
}
}
}
该源程序代码冗长，有较多的逻辑操作和判断跳转，运行效率低下。若用内联函数，则是result =_norm(src1)，减少了代码长度，提高了运行效率。因此对于需要大量C代码才能表示的复杂功能，应该尽量用C64X的内联函数来表示。
4) short型数据的int处理
C64XDSP具有双16bit扩充功能，芯片能在一个周期内完成双16bit的乘法、加减法、比较、移位等操作。在设计时，当对连续的short型数据流操作时，应该转化成对int型数据流的操作，这样一次可以把两个16位的数据读入一个32位的寄存器，然后用内部函数来对它们处理（如_sub2等），充分运用双16bit扩充功能，一次可以进行两个16bit数据的运算，速度将提升一倍。
5) 尽量少进行函数调用
函数调用的时候，要将PC和一些寄存器压栈保存，函数返回时，则将这些寄存器出栈返回，增加了一些不必要的操作。所以一些小的函数，最好是用适当的内联函数代替直接写入主函数里，一些调用不多的函数，也可以直接写入主函数内，这样可减少不必要的操作，提高速度。但是这样往往会增加程序的长度，因此是一种利用空间换取时间的办法。
6) 尽量使用逻辑运算代替乘除运算
在DSP里，乘除运算指令的执行时间要远远超过逻辑移位指令，尤其是除法指令，在设计的时候，可以根据实际情况，进行一些调整，尽量用逻辑移位运算来代替乘除运算，这样可以加快指令的运行时间。
7) 软件流水线技术的使用
软件流水线技术用来对一个循环结构的指令进行调度安排，使之成为多重迭代循环并行执行。在编译代码时，可以选择编译器的-o2或-o3选项，则编译器将根据程序尽可能地安排软件流水线。
在DSP算法中存在大量的循环操作，因此充分地运用软件流水线方式，能极大地提高程序的运行速度。但使用软件流水线还有下面几点限制：
● 循环结构不能包含代码调用，但可以包含内联函数。
● 循环计数器应该是递减的。
● 循环结构不能包含break，if语句不能嵌套，条件代码应当尽量的简单。
● 循环结构中不要包含改变循环计数器的代码。
● 循环体代码不能过长，因为寄存器（32个）的数量有限，应该分解为多个循环。
在软件流水线的运用上，应该尽量使复杂的循环分解成简单的小循环，以避免寄存器的数量不够；对于过于简单的循环，应该适当的展开，以增加代码数量，增加流水线中的迭代指令。
8) 采用指令乱序技术
程序中，有些指令的执行顺序没有严格的要求，可以作出一些位置上的调整，因此可以适当的调整这些指令的位置，穿插于其他的指令之中，从而减小指令的相关性，增加运行时的并行性。
尤其在循环里，当循环体较小的时候，可以把多个循环的代码写在一个循环体里，合并成一个循环，从而减小循环内指令的相关性，增加指令运行的并行性。但是要注意不要使循环过于复杂，以至不能进行软件流水线的优化。
由于C语言编译出来的程序，不是最有效率的汇编语言，而没有办法达到实时播放。所以为了要使程序执行的速度能够加快，必须要做最佳化，使其能够达到实时播放的速度。然而C6x 的编译器也提供了最佳化的指令，如在编译时加上 -o3 的参数，它可以用软件来分析我们的程序是否有可以改进的地方，如此一来，在产生组语的汇编语言档案之前，编译器会对我们写的C语言程序不断的进行编译，也会对程序中的循环部份重新编排，产生另一较有效率的核心循环，以最有效率的方式重新编排程序，来加快程序速度:
方法一 把浮点运算改成定点运算
因为C6x DSP板并不支持浮点运算，但我们的原始程序代码是浮点运算的格式，所以必须改成定点运算，而其修改后的执行速度也会加快很多。我们采用 Q-format 规格来表示浮点运算。以下将介绍其相关原理。
定点DSP使用固定的小数点来表示小数部份的数字，这也造成了使用上的限制，而为了要分类不同范围的小数点，我们必须使用Q-format的格式。不同的Q-format表示不同的小数点位置，也就是整数的范围。表2呈现Q15数字的格式，要注意在小数点后的每一位，表示下一位为前一位的二分之一，而MSB (most-significant-bit ) 则被指定成有号数 ( Sign bit )。由表2可以知道，当有号数被设成0而其余位设成1时，可得到最大的正数 (7FFFH ) ；而当有号数被设成1而其余位设成0时，可得到最大的负数 ( 8000H ) 。所以Q15格式的范围从-1到0.9999694 (@1) ，因此我们可以藉由把小数点向右移位，来增加整数部份的范围，如表3所示，Q14格式的范围增为-2.0到1.9999694 (@2) ，然而范围的增加却牺牲了精确度。
方法二 建立表格 ( table )
原来程序的设计是除了要读AAC的档案外，在译码时，还要再另外读取一些C语言程序代码的内容再做计算，如读取一些数值做sin、cos、exp的运算，但是为了加快程序的执行速度，故将这这些运算的结果建成表格，内建在程序中，可以不必再做额外的计算动做，以加速程序。
方法三 减短程序的长度
1.去除Debug的功能
原本程序在Debug的阶段时，就加了许多用来侦测错误的部份，程序 Debug完后，已经没有错误发生，所以就可以把这些部份给去除，以减少程序的长度，也可以减少程序执行时的时脉数，加快程序的速度。
2.去除计算时脉 ( clock ) 功能
原本程序可以计算执行程序所需的时脉数，我们也可以把这些部份给去除，如果有需要计算时脉时,我们可以用C6x的工具软件来作，功能更强大。
方法四 减少I/O 过程
原本在做译码的动作时，是先读取AAC档案的一部份做译码，译码完成后再读取下一部份，再做译码。但是由于C6x的板子跟PC做档案读取时相当的缓慢，读取的动作占了大部份的时间，所以就将程序改成先将AAC档案全部读到C6x的内存中，再做译码。或是将AAC建成表格(约1 MB)，以避免DSP板上的内存不足.
方法五 减少子程序的呼叫
在呼叫子程序时，必须先将缓存器的内容放到堆栈 (stack) 中，而从子程序返回时，也要将这些缓存器原本的内容从堆栈中取出来。但是有些子程序的长度很短，而且被呼叫的次数又很多，往往几个时脉就可以完成却浪费时间在存取堆栈的内容上，所以干脆将这些很短的子程序直接写在主程序当中，以减少时脉数.
方法六 写汇编语言
虽然由C语言所编译出来的汇编语言可以正确无误的执行，但是这个汇编语言却不是最有效率的写法，所以为了增加程序的效率，于是在某些地方，例如一些被呼叫很多次且程序代码不长的函式(function)，必须改以自己动手写汇编语言来取代。
方法七 利用平行处理的观念
C6x是一颗功能强大的处理器，它CPU的内部提供了八个可以执行不同指令的单元，也就是说最多可以同时处理八个指令。所以如果我们可以用它来作平行处理，我们就可以大大的缩短程序执行的时间，最有效率的来利用它来作解碼的动作。
最后还要知道：
第三级优化(-O3)，效率不高（经验），还有一些诸如用一条读32位的指令读两个相邻的16位数据等，具体情况可以看看C优化手册。 但这些效率都不高（虽然ti的宣传说能达到80%，我自己做的时候发现绝对没有这个效率！65%还差不多），如果要提高效率只能用汇编来做了。还有要看看你的c程序是怎么编的，如果里面有很多中断的话，6000可以说没什么优势。还有，profiler的数据也是不准确的，比实际的要大，大多少不好说。还有dsp在初始化的时候特别慢，这些时间就不要和pc机相比了，如果要比就比核心的部分。
关于profile：
C6x的Debug工具提供了一个profile界面。在图9中，包括了几个重要的窗口，左上角的窗口是显示出我们写的C语言，可以让我们知道现在做到了哪一步。右上角的窗口显示的是C6x所编译出来的汇编语言，同样的我们也可以知道现在做到了哪一步。左下角的窗口是命令列，是让我们下指令以及显示讯息的窗口。而中间的profile窗口就是在profile模式下最重要的窗口，它显示出的项目如下表：
表5：profile的各项参数[8]
字段 意义
Count 被呼叫的次数
Inclusive 包含子程序的总执行clock数
Incl-Max 包含子程序的执行一次最大clock数
Exclusive 不包含子程序的总执行clock数
Excl-Max 不包含子程序的执行一次最大clock数
利用这个profile模式我们可以用来分析程序中每个函数被呼叫的次数、执行的时脉数等等。用这个分析的结果，我们就可以知道哪个函数所花费的时脉最多，是可以再改进的，而针对它来作最佳化。
汇编代码级的优化
在经过C代码的优化之后，还不能满足性能上的要求，则可以通过profile
clock工具找出效率很低的部分，使用线性汇编重新改写。再通过汇编优化器编译，汇编优化器从输入的线性汇编代码中，完成以下功能：
● 寻找可以平行执行的CPU指令。
● 在软件流水线期间，处理流水线标号。
● 分配寄存器的用法。
● 分配功能单元。
TI提供的汇编优化器可以得到很高的效率，一般可以满足性能上的要求。
优化中的问题:
在优化过程中，总是要对程序进行一定的改动，这样经常会出现一些问题。
1) 优化结果的验证
优化过的程序往往不知道是否运行正确，这就需要加以验证。一般采用的办法就是通过测试序列来验证。测试序列指的是对于不同的算法所取的一组特殊的数据，这些数据可以准确的反映算法的特性。测试序列中每组数据包括输入数据和输出数据，通过对输入数据的运算，把结果与输出数据进行比较，判断程序的正确性。一些常见的算法，一般都提供了测试序列。还有一些，没有测试序列。这时就需要根据算法的特点，自己构造测试序列，进行验证。构造的时候，注意序列最好有几组，数据最好有一定的长度，这样验证的更准确。
2) 内存泄漏的问题
C64X系列DSP的内部存储空间有1MB，其中程序和数据还有CPU的二级缓存将共享这片空间，因此当程序的运行不正常时，很有可能就是内存泄漏造成的。因此，在程序设计中，应尽量不用指针，同时注意进行边界检测。
程序设计的一些方法
程序设计时，一切以满足实际的要求为目标。在实际的设计中，除了优化能够提高性能以外，还可以采取其他的办法，利用DSP的特性，提高程序的运行性能，满足实际的设计要求。
1) 把程序和经常要用的数据放入片内RAM
片内RAM与CPU
工作在同一时钟频率，比片外RAM性能高得多。因此把程序放在片内可以大大提高运行的速度。同时对于一些经常要用到的数据，放入片内，也会节省处理时间。
2) 通过DMA技术搬移数据
对于C64X芯片，其片内RAM有1MB，但是对于一些大型的图像处理算法而言，仍可能是不够的，因此经常通过DMA技术，把需要用到的数据搬入片内，把不需要的搬到片外，可以大大的提高程序的运行速度。
3) CACHE的使用
增大CACHE，可以明显的提高性能。但是C64X系列DSP中程序和数据还有CACHE共享片内RAM，因此增大CACHE，就减小了实际的片内可用空间，设计中需要注意。
全文完
