隨著“開源”C / C ++算法成為嵌入式處理應(yīng)用程序中基于版稅的代碼越來越受歡迎的替代方案，它們帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最重要的是如何優(yōu)化所獲取的代碼以在所選處理器上良好地工作。這個(gè)問題是至關(guān)重要的，因?yàn)闉榻o定處理器系列編寫的編譯器將利用該處理器的優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)犧牲其他領(lǐng)域的低效率。當(dāng)在不同平臺(tái)上直接運(yùn)行相同的算法時(shí)，性能可能會(huì)降低。本文將探討將此類開源算法移植到ADI公司的Blackfin ?處理器，并在此過程中概述導(dǎo)致代碼優(yōu)化的“攻擊計(jì)劃”。

什么是開源？

通常理解的“開源”定義是指任何帶有源代碼的項(xiàng)目，可供其他程序員使用。開源軟件通常在軟件程序員社區(qū)內(nèi)協(xié)作開發(fā)并自由分發(fā)。例如，Linux操作系統(tǒng)就是以這種方式開發(fā)的。如果一切順利，最終的努力提供了一個(gè)不斷發(fā)展，強(qiáng)大的應(yīng)用程序，經(jīng)過充分測試，因?yàn)樵S多不同的應(yīng)用程序利用了代碼。鼓勵(lì)程序員使用代碼，因?yàn)樗麄儾槐貫榇烁顿M(fèi)或自行開發(fā)，從而加快了他們的項(xiàng)目進(jìn)度。他們成功使用該代碼提供了進(jìn)一步的測試信息。

“開源”的認(rèn)證標(biāo)志由開源倡議（OSI）所有。如果分發(fā)條款符合OSI的開源定義，那么開發(fā)為可自由共享和發(fā)展的代碼可以使用開源商標(biāo)。這要求根據(jù)某些指導(dǎo)原則將軟件重新分發(fā)給其他人。例如，在通用公共許可證（GPL）下，必須提供源代碼，以便其他開發(fā)人員能夠改進(jìn)或發(fā)展它。

什么是Ogg？

整個(gè)開發(fā)人員社區(qū)都致力于為數(shù)字媒體創(chuàng)建開放標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用程序。其中一個(gè)組織是Xiph.Org Foundation，一家非營利性公司，其目的是支持和開發(fā)免費(fèi)，開放的協(xié)議和軟件，以服務(wù)于公共，開發(fā)和商業(yè)市場。這個(gè)傘式組織（見圖1）負(fù)責(zé)監(jiān)督視頻 - （Theora），音樂等技術(shù)的管理 - （有損Vorbis和無損Flac），以及語音（Speex）編解碼器。

術(shù)語Ogg表示保存多媒體數(shù)據(jù)的容器格式。它通常用作生成數(shù)據(jù)的特定編解碼器的前綴。我們將在這里討論的音頻編解碼器Vorbis使用Ogg將其比特流存儲(chǔ)為文件，因此它通常被稱為“Ogg Vorbis”。事實(shí)上，一些便攜式媒體播放器被宣傳為支持OGG文件，其中“Vorbis”部分是隱含的。下面討論的語音編解碼器Speex也使用Ogg格式將其比特流存儲(chǔ)為計(jì)算機(jī)上的文件。但是，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音（VoIP）和其他實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)不需要文件存儲(chǔ)功能，并且使用像實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）這樣的網(wǎng)絡(luò)層來封裝這些流。因此，即使Vorbis通過多播分發(fā)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸也會(huì)丟失其Ogg shell。

什么是Vorbis？

Vorbis 是一種完全開放，無專利，免版稅的音頻壓縮格式。在許多方面，它在功能上與普遍存在的MPEG-1/2第3層（MP3）格式和較新的MPEG-4（AAC）格式非常相似。該編解碼器設(shè)計(jì)用于16至128 kbps /通道的可變比特率的中高質(zhì)量（8 kHz至48 kHz帶寬，> 16位，復(fù)音）音頻，因此它是音樂的理想格式。

最初的Vorbis實(shí)現(xiàn)是使用浮點(diǎn)運(yùn)算開發(fā)的，主要是因?yàn)?a href="http://www.delux-kingway.cn/v/tag/1315/" target="_blank">編程容易導(dǎo)致更快的發(fā)布。由于大多數(shù)電池供電的嵌入式系統(tǒng)（如便攜式MP3播放器）使用成本更低，電池效率更高的定點(diǎn)處理器，開源開發(fā)人員社區(qū)創(chuàng)建了Vorbis解碼器的定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。被稱為 Tremor 的定點(diǎn)Vorbis解碼器的源代碼是根據(jù)許可證發(fā)布的，允許將其合并到開源和商業(yè)系統(tǒng)中。

在選擇特定的用于移植Vorbis解碼器的定點(diǎn)架構(gòu)，分析從壓縮比特流中恢復(fù)音頻所涉及的處理類型非常重要。 Vorbis解碼過程（和其他類似算法）的通用處理器流程如圖2所示。與許多其他解碼算法一樣，有兩個(gè)主要階段：前端和后端。

< p>在前端階段，主要活動(dòng)是標(biāo)頭和數(shù)據(jù)包解包，表查找和霍夫曼解碼。這種操作涉及大量條件代碼和相對(duì)大量的程序空間，因此嵌入式開發(fā)人員通常使用微控制器作為前端。

后端處理由過濾函數(shù)，逆變換和一般向量運(yùn)算定義。與前端階段相比，后端階段涉及更多的循環(huán)結(jié)構(gòu)和內(nèi)存訪問，通常使用較少量的代碼。由于這些原因，嵌入式系統(tǒng)中的后端處理歷來由成熟的DSP主導(dǎo)。

Blackfin處理器架構(gòu)統(tǒng)一了微控制器（MCU）和DSP功能，因此不再需要兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備。它可以有效地用于在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)前端和后端處理。

什么是Speex？

Speex 是開放式的-source，專利用于語音的專利音頻壓縮格式。雖然Vorbis用于壓縮所有類型的音樂和音頻，但Speex僅針對(duì)語音。出于這個(gè)原因，Speex在相同質(zhì)量水平的語音上可以取得比Vorbis更好的結(jié)果。

正如Vorbis與基于版稅的算法（如MP3和AAC）競爭一樣，Speex在語音編解碼器市場中與GSM-EFR和G.72x算法共享空間，例如G.729和G.722。 Speex還具有許多其他編解碼器中不存在的功能。這些包括可變比特率（VBR），在同一比特流（8 kHz，16 kHz和32 kHz）中集成多個(gè)采樣率，以及立體聲編碼支持。此外，Speex的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是促進(jìn)融入互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，因此它是VoIP電話系統(tǒng)的一個(gè)非常強(qiáng)大的組件。

除了其獨(dú)特的技術(shù)特性，Speex還具有成本的主要優(yōu)勢(shì)“沒有“ - 可以分發(fā)和修改以符合特定的應(yīng)用程序。源代碼以類似于Vorbis的許可證分發(fā)。由于項(xiàng)目的維護(hù)者意識(shí)到將Speex嵌入到小型定點(diǎn)處理器中的重要性，因此在主代碼分支中引入了定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

在Blackfin處理器上優(yōu)化Vorbis和Speex

當(dāng)現(xiàn)有應(yīng)用程序（如Vorbis或Speex）移植到新處理器時(shí)，立即“開箱即用”代碼性能是最重要的考慮因素。但是，軟件工程師可以通過熟悉可用于優(yōu)化整體性能的眾多技術(shù)來獲得巨大回報(bào)。有些只需要很少的額外努力。

將任何軟件移植到Blackfin等嵌入式處理器的第一步是定制低級(jí)I / O例程以滿足系統(tǒng)需求。例如，Vorbis和Speex的參考代碼假定數(shù)據(jù)源自文件和處理后的輸出存儲(chǔ)到文件中（主要是因?yàn)檫@兩種實(shí)現(xiàn)最初都是在Unix / Linux系統(tǒng)上運(yùn)行的，其中文件是I / O例程可用）。然而，在嵌入式媒體系統(tǒng)中，輸入和/或輸出通常連接到在數(shù)字和現(xiàn)實(shí)模擬域之間轉(zhuǎn)換的A / D和D / A 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。圖3顯示了可能基于Vorbis的媒體播放器實(shí)現(xiàn)的概念性概述。輸入比特流從閃存?zhèn)鬏?，解碼器輸出驅(qū)動(dòng)音頻DAC。此外，雖然一些媒體應(yīng)用程序（例如，便攜式音樂播放器）仍然使用文件來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但許多系統(tǒng)用網(wǎng)絡(luò)連接替換存儲(chǔ)。

當(dāng)優(yōu)化像Vorbis解碼器這樣的系統(tǒng)時(shí)有效地運(yùn)行，有一個(gè)有組織的攻擊計(jì)劃是一個(gè)好主意。一種可能性是首先從C內(nèi)優(yōu)化算法，然后簡化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，最后在裝配級(jí)別調(diào)整代碼的各個(gè)部分。圖4通過連續(xù)的優(yōu)化步驟說明了處理器負(fù)載的代表性減少，并顯示了該方法的效率。

編譯器優(yōu)化

可能是最有用的代碼優(yōu)化工具是一個(gè)很好的探測器。使用VisualDSP ++ for Blackfin中的統(tǒng)計(jì) profiler ，程序員可以快速關(guān)注在處理器執(zhí)行代碼時(shí)變得明顯的熱點(diǎn)。在許多實(shí)現(xiàn)中，20％的代碼占用了80％的處理時(shí)間。關(guān)注這些關(guān)鍵部分會(huì)產(chǎn)生最高的邊際回報(bào)。事實(shí)證明，循環(huán)是Vorbis等媒體算法優(yōu)化的主要候選者，因?yàn)槊芗瘮?shù)字運(yùn)算通常發(fā)生在它們內(nèi)部。

還有全局的代碼優(yōu)化方法。首先，編譯器可以優(yōu)化內(nèi)存保護(hù)或速度。此外，可以考慮將函數(shù)自動(dòng)內(nèi)聯(lián)到C代碼中的匯編指令。 （編譯器的inline關(guān)鍵字用于指示函數(shù)應(yīng)該具有在調(diào)用點(diǎn)內(nèi)聯(lián)生成的代碼。這樣做可以避免各種成本，例如程序流延遲，函數(shù)入口和退出指令以及參數(shù)傳遞開銷。）這也會(huì)創(chuàng)建在空間和速度之間進(jìn)行權(quán)衡。最后，像Blackfin可用的編譯器可以使用兩階段過程來導(dǎo)出單個(gè)項(xiàng)目中各種源文件之間的關(guān)系，以進(jìn)一步加快代碼執(zhí)行速度（過程間分析）。

如上所述，大多數(shù)媒體算法參考軟件都使用浮點(diǎn)運(yùn)算。但考慮到使用分?jǐn)?shù)定點(diǎn)機(jī)器編寫的軟件仍然錯(cuò)過了一個(gè)關(guān)鍵部分。大多數(shù)編解碼算法的首選語言是C語言，但C語言并不“本地”支持使用分?jǐn)?shù)定點(diǎn)數(shù)據(jù)。因此，許多分?jǐn)?shù)定點(diǎn)算法都使用整數(shù)數(shù)學(xué)進(jìn)行仿真。這可能使代碼具有高度可移植性，但它不能通過使用特定于機(jī)器的編譯器構(gòu)造重寫某些數(shù)學(xué)函數(shù)來獲得可達(dá)到的性能，以獲得最高的計(jì)算效率。

說明這一點(diǎn)的具體示例如圖5.左欄顯示了適用于所有整數(shù)機(jī)器的模擬分?jǐn)?shù)算術(shù)的C代碼和Blackfin編譯器輸出。執(zhí)行32位小數(shù)乘法的一次調(diào)用需要80個(gè)周期。右欄顯示了利用（mult_fr1x32x32）可獲得的性能改進(jìn)，這是Blackfin編譯器的一個(gè)內(nèi)在函數(shù)，它利用了底層的小數(shù)硬件。通過這種相當(dāng)容易的修改，可以實(shí)現(xiàn)86％的加速。

系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)優(yōu)化以正確的內(nèi)存布局開始。在最好的情況下，所有代碼和數(shù)據(jù)都適合處理器的L1內(nèi)存。遺憾的是，這并不總是可行，特別是在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)大型基于C的應(yīng)用程序時(shí)。

真正的困境是處理器經(jīng)過優(yōu)化，可通過直接內(nèi)存獨(dú)立于核心移動(dòng)數(shù)據(jù)訪問（DMA），但MCU程序員通常使用緩存模型運(yùn)行。雖然核心提取是不可避免的現(xiàn)實(shí)，但使用DMA或高速緩存進(jìn)行大型傳輸對(duì)于保持性能是必不可少的。

為了介紹討論，讓我們考慮Blackfin總線體系結(jié)構(gòu)固有支持的幾個(gè)屬性。第一個(gè)是在沒有核心干預(yù)的情況下仲裁請(qǐng)求的能力。因?yàn)閮?nèi)部存儲(chǔ)器通常構(gòu)造在子庫中，所以DMA控制器和核心的同時(shí)訪問可以通過將數(shù)據(jù)放置在單獨(dú)的庫中而在單個(gè)周期中完成。例如，核心可以在一個(gè)子庫中的數(shù)據(jù)上操作，而DMA在第二子庫中填充新的緩沖器。在某些情況下，也可以同時(shí)訪問同一個(gè)子庫。

通常只有一條物理總線可用于訪問外部存儲(chǔ)器。結(jié)果，仲裁功能變得更加關(guān)鍵。下面是一個(gè)澄清挑戰(zhàn)的示例：在任何給定周期，可以訪問外部存儲(chǔ)器位置，以便在它作為傳入和傳出數(shù)據(jù)的源和目標(biāo)的同時(shí)填充指令緩存。

指令執(zhí)行

Blackfin處理器使用分層存儲(chǔ)器架構(gòu)，力求平衡具有不同大小和性能級(jí)別的多個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)器。片上 L1存儲(chǔ)器最接近核心處理器，以全時(shí)鐘速率工作。該存儲(chǔ)器可以配置為SRAM和/或高速緩存。需要最大確定性的應(yīng)用可以在單核時(shí)鐘周期內(nèi)訪問片上SRAM。對(duì)于需要更大代碼尺寸的系統(tǒng)，可提供額外的片上和片外存儲(chǔ)器 - 延遲增加。

SDRAM 比L1 SRAM慢，但存儲(chǔ)需要大型程序和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。但是，程序員可以通過多種方式利用快速L1內(nèi)存。如果目標(biāo)應(yīng)用程序直接適合L1存儲(chǔ)器，除了程序員將應(yīng)用程序代碼直接映射到該存儲(chǔ)空間之外，不需要特殊操作 - 如上述Vorbis示例中那樣。

如果應(yīng)用程序代碼對(duì)于內(nèi)部存儲(chǔ)器而言太大，例如，將網(wǎng)絡(luò)組件添加到Vorbis編解碼器時(shí)，可以使用緩存機(jī)制來允許程序員訪問更大，更便宜的外部存儲(chǔ)器。 緩存用作在需要時(shí)自動(dòng)將代碼放入L1內(nèi)存的方法。一旦進(jìn)入L1，代碼就可以在單個(gè)核心周期中執(zhí)行，就像它首先存儲(chǔ)在芯片上一樣。這個(gè)過程的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于程序員不必管理進(jìn)出緩存的代碼移動(dòng)。

當(dāng)執(zhí)行的代碼本質(zhì)上是線性的時(shí)，使用緩存是最好的。指令緩存實(shí)際上執(zhí)行兩個(gè)角色。首先，它有助于以更有效的方式從外部存儲(chǔ)器預(yù)取指令。此外，由于高速緩存通常使用某種類型的“最近最少使用”算法運(yùn)行，因此最常運(yùn)行的指令通常保留在高速緩存中。因此，如果代碼已經(jīng)被提取一次并且尚未被替換，那么它將在下一次循環(huán)時(shí)準(zhǔn)備好執(zhí)行。

謹(jǐn)慎的實(shí)時(shí)程序員沒有信任緩存來獲得最好的系統(tǒng)性能，因?yàn)槿绻麍?zhí)行需要時(shí)指令塊不在高速緩存中，系統(tǒng)性能將降低。利用緩存鎖定機(jī)制可以避免此問題。當(dāng)關(guān)鍵指令加載到緩存中時(shí)，可以鎖定緩存行以防止指令被替換。這允許程序員在緩存中保留他們所需的內(nèi)容，并允許緩存機(jī)制本身管理不太重要的指令。此功能使Blackfin處理器與其他信號(hào)處理器區(qū)別開來。

數(shù)據(jù)管理

在討論了如何最好地管理代碼以提高此應(yīng)用程序的性能之后，我們現(xiàn)在考慮數(shù)據(jù)移動(dòng)的選項(xiàng)。作為高速緩存的替代方案，可以使用獨(dú)立于內(nèi)核的DMA控制器將數(shù)據(jù)移入和移出L1存儲(chǔ)器。雖然內(nèi)核在一部分內(nèi)存上運(yùn)行，但DMA正在引入下一個(gè)要處理的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

Blackfin數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器架構(gòu)對(duì)于整體系統(tǒng)性能與指令一樣重要 - 時(shí)鐘速度。由于多媒體應(yīng)用程序中任何時(shí)候都經(jīng)常發(fā)生多次數(shù)據(jù)傳輸，因此總線結(jié)構(gòu)必須支持內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器的所有區(qū)域的核心和DMA訪問。至關(guān)重要的是自動(dòng)處理DMA控制器和內(nèi)核的仲裁，否則性能將大大降低。只需要設(shè)置DMA控制器，然后在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好處理時(shí)響應(yīng)中斷，就需要進(jìn)行核心到DMA的交互。此外，數(shù)據(jù)緩存還可以提高整體性能。

在默認(rèn)模式下，Blackfin執(zhí)行數(shù)據(jù)提取作為基本核心功能。雖然這通常是用于傳輸數(shù)據(jù)的最低效機(jī)制，但它導(dǎo)致最簡單的編程模型。快速暫存器內(nèi)存通常作為L1內(nèi)存的一部分提供;但對(duì)于較大的片外緩沖區(qū)，如果核心必須獲取所有內(nèi)容，則訪問時(shí)間將受到影響。不僅需要多個(gè)周期來獲取數(shù)據(jù)，而且核心也將忙著進(jìn)行提取。

因此，在可能的情況下，應(yīng)始終使用DMA來移動(dòng)數(shù)據(jù)。 Blackfin處理器具有DMA功能，可在外設(shè)和內(nèi)存之間以及不同內(nèi)存段之間傳輸數(shù)據(jù)。例如，我們的Vorbis實(shí)現(xiàn)使用DMA將音頻緩沖區(qū)傳輸?shù)揭纛lD / A轉(zhuǎn)換器。

對(duì)于此音頻應(yīng)用程序，“旋轉(zhuǎn)門”雙緩沖區(qū)方案用于容納DMA引擎。由于串行端口DMA清空了循環(huán)雙緩沖器的一半，另一半填充有解碼的音頻數(shù)據(jù)。為了限制壓縮數(shù)據(jù)被解碼的速率，DMA中斷服務(wù)程序（ISR）修改解碼器可以讀取的信號(hào)量，以確保寫入雙緩沖區(qū)的特定一半是安全的。在缺乏操作系統(tǒng)（OS）的設(shè)計(jì)中，輪詢信號(hào)量意味著浪費(fèi)CPU周期;但是，在操作系統(tǒng)下，調(diào)度程序可以切換到另一個(gè)任務(wù)（如用戶界面）以使處理器忙于實(shí)際工作。

如果不考慮數(shù)據(jù)一致性，使用DMA會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。因此，與音頻DAC關(guān)聯(lián)的音頻緩沖區(qū)被放置在非高速緩存的存儲(chǔ)空間中，因?yàn)槌艘蒁MA傳輸?shù)木彌_區(qū)之外，高速緩存可能保存的數(shù)據(jù)版本更新。

裝配優(yōu)化

優(yōu)化的最后階段與用匯編語言重寫開源C代碼的孤立段有關(guān)。通過程序集重寫提高性能的最佳選擇通常是中斷服務(wù)程序（ISR）和可重用的信號(hào)處理模塊。

在程序集中編寫中斷處理程序的動(dòng)力是低效的ISR會(huì)降低其他中斷處理程序的響應(yīng)速度。例如，某些音頻設(shè)計(jì)必須使用音頻ISR格式化為音頻DAC綁定的AC97數(shù)據(jù)。由于這種情況會(huì)定期發(fā)生，因此長音頻ISR會(huì)降低其他事件的響應(yīng)速度。減少中斷處理程序循環(huán)計(jì)數(shù)的最佳方法是在匯編中重寫它。

可重用信號(hào)處理模塊的一個(gè)很好的例子是修改的離散余弦變換（MDCT）用于后端Vorbis處理，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域表示。編譯器永遠(yuǎn)不會(huì)像熟練的匯編程序員那樣生成“緊”的代碼，因此MDCT的C版本效率低下。相同功能的匯編版本可以利用Blackfin架構(gòu)的硬件功能，例如單周期蝶形加/減和硬件位反轉(zhuǎn)。

今天，Vorbis和Speex的Blackfin端口都存在，可根據(jù)要求提供。這些端口在ADSP-BF533 EZ-KIT Lite上運(yùn)行。在blackfin.uclinux.org上也可以找到μClinux的開源端口。它們共同實(shí)現(xiàn)了各種各樣的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以集成免版稅的語音或音樂功能，同時(shí)保留足夠的處理空間以實(shí)現(xiàn)其他特性和功能。例如，新的ADSP-BF536和ADSP-BF537及其集成的以太網(wǎng)MAC為低成本的網(wǎng)絡(luò)音頻和語音應(yīng)用打開了大門。很明顯，開源代碼預(yù)示著嵌入式處理領(lǐng)域的一場革命，Blackfin處理器有望充分利用這種情況。