匯編語言與C語言整合至DSP的方法

本文將討論如何將匯編語言程序代碼整合到C語言中，以最大化性能以及程序設(shè)計人員生產(chǎn)力，內(nèi)容涵蓋了編譯器慣例(convention)、內(nèi)嵌(inlining)、內(nèi)嵌函數(shù)(intrinsic)、緩存器連結(jié)(register binding)和除錯策略。?
????? 隨著DSP處理器性能的提升以及編譯器最佳化技術(shù)的進(jìn)步，曾經(jīng)紅極一時、僅用匯編語言編寫DSP應(yīng)用程序的作法已逐漸被淘汰。今天，幾乎每個DSP應(yīng)用程序都使用C語言程序代碼和匯編程序碼混合的方式。對于一些性能需求極高的關(guān)鍵功能，DSP工程師會繼續(xù)使用高度最佳化的匯編程序碼；而一些次要的功能現(xiàn)在也使用C語言編寫，使程序代碼更容易維護(hù)和移植。對于C語言和匯編程序碼的結(jié)合，每位DSP工程師都需要掌握特殊的工具和方法。
?????? 眾所皆知，匯編語言編碼具有更高的性能優(yōu)勢，而用C語言編碼則較容易且速度也更快。為了解其中原因，以下我們進(jìn)一步比較匯編語言編碼與C語言編碼的優(yōu)缺點(diǎn)：
匯編語言編碼的優(yōu)點(diǎn)：?
????? ?匯編語言編碼可以充分利用處理器的獨(dú)特指令以及各種專門的硬件資源。而C語言程序代碼是通用型程序代碼，必須支持各種硬件平臺，因此很難支持特殊平臺程序代碼。?
????? ?匯編程序設(shè)計人員通常對應(yīng)用程序非常熟悉，可以作出編譯器無法作出的假設(shè)。?
????? ?匯編程序設(shè)計人員可以發(fā)揮人類的創(chuàng)造性；而再先進(jìn)的編譯器也只是一個自動化的程序。
匯編語言編碼的缺點(diǎn)：
????? ?匯編程序設(shè)計人員必須解決耗時的機(jī)器級問題，如緩存器分配和指令排程。若使用C語言程序代碼，這些問題可以由編譯器解決。?
????? ?使用匯編語言編碼的程序設(shè)計人員必須了解DSP架構(gòu)及其指令集的專業(yè)知識；而C語言編碼只需要掌握相當(dāng)普及的C語言知識。?
????? ?若使用匯編語言，將應(yīng)用程序從一個平臺移植到另一個平臺非常困難也相當(dāng)耗時；而C語言應(yīng)用程序的移植相對而言非常容易。
????? 圖1顯示了如何利用專用硬件機(jī)制來獲得高度最佳化的匯編程序碼。左邊的C語言編碼利用模塊算法設(shè)計出一個循環(huán)緩沖區(qū)P1；右邊高度最佳化的匯編程序碼中，等效的緩沖區(qū)是利用CEVA-TeakLite-III DSP核心的模塊運(yùn)算機(jī)制(Modulo Mechanism)設(shè)計產(chǎn)生的。只要緩沖區(qū)指標(biāo)(本例中的r0)有更新，模塊運(yùn)算機(jī)制便會自動執(zhí)行模塊運(yùn)算。這種運(yùn)算與指針更新在同一個周期發(fā)生，因此匯編程序碼比C語言程序代碼更加高效，可為模塊運(yùn)算產(chǎn)生獨(dú)立的指令。?
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圖1：右邊的CEVA-TeakLite-III匯編程序碼可以建置成左邊的C語言程序代碼。?
為DSP應(yīng)用選擇C/匯編程序碼?
????? 混合使用的問題就在于該如何劃分C語言程序代碼和匯編程序碼的界限，而答案取決于剖析器提供的性能分析結(jié)果。然而在使用剖析器之前，DSP工程師需要為應(yīng)用程序定義清晰的對象，一些典型的對象包括循環(huán)數(shù)、程序代碼大小和數(shù)據(jù)大小。一旦這些對象確定后，所有應(yīng)用程序都應(yīng)該先以C語言編寫和制作，隨后使用剖析器來分析性能。?
????? 在一些極端情況下，如控制應(yīng)用，用C語言層級的編碼就足夠了；但大多數(shù)情況下，原始C語言層級應(yīng)用程序版本不會遵從一個或多個對象，這也意味著需要使用一些匯編程序碼來完成。在求助于匯編語言編碼之前，C語言編碼可提供許多方法來提高性能，但這些方法不屬于本文討論的范疇。假設(shè)所有C語言級的方法全用完了，并且準(zhǔn)備使用匯編語言編碼，這時強(qiáng)烈建議將原始C語言程序代碼保存起來。這樣不僅方便除錯，而且一旦條件許可(比如轉(zhuǎn)移到更強(qiáng)大的平臺)還可以回復(fù)原始的C語言。
????? 程序代碼中的匯編語言部份應(yīng)盡可能維持在最少，這樣便能分析從剖析器得到的性能結(jié)果，并定義應(yīng)用程序中的關(guān)鍵函數(shù)。關(guān)鍵函數(shù)會占用大部份執(zhí)行時間，必須用匯編語言重寫才能滿足性能對象。當(dāng)兩到三個最關(guān)鍵的函數(shù)重寫后，需要重新進(jìn)行性能測量，若應(yīng)用程序仍然不能滿足對象需求，那么必須使用匯編語言定義并重寫額外的關(guān)鍵函數(shù)，這個過程需要不斷地重復(fù)直到滿足性能對象需求為止。
匯編語言設(shè)計師的編譯器考慮?
????? 在編寫會與C語言程序代碼結(jié)合的匯編程序碼時，匯編程序設(shè)計人員必須了解編譯器的慣例和假設(shè)。其中有個重要的編譯器慣例是函數(shù)呼叫慣例，也稱為函數(shù)參數(shù)傳遞慣例。這個慣例描述了編譯器如何在一個函數(shù)呼叫另一個函數(shù)時傳遞參數(shù)。為了使匯編語言函數(shù)能被C語言函數(shù)成功呼叫；反之亦然；匯編語言函數(shù)必須截取參數(shù)，然后將參數(shù)發(fā)送到由函數(shù)呼叫慣例定義的硬件資源上，通常為緩存器或堆棧內(nèi)存。
????? 匯編程序設(shè)計人員還必須了解編譯器的緩存器使用慣例。這些慣例將硬件緩存器分成被呼叫者保存(callee-saved；或呼叫者使用，caller-used)；以及被呼叫者使用(callee-used；或呼叫者保存，caller-saved)緩存器。編譯器假設(shè)被呼叫者保存緩存器在函數(shù)呼叫過程中保持不變的值，若匯編程序設(shè)計人員希望使用這種緩存器，他們必須先將緩存器的值備份，然后在返回到C語言程序代碼之前恢復(fù)這些緩存器的內(nèi)容；相反的，被呼叫者使用緩存器被認(rèn)為在函式呼叫過程中不會保持一定的值。這意味著匯編程序設(shè)計人員使用這些緩存器之前無需進(jìn)行備份，不過他們必須記住，當(dāng)匯編語言函數(shù)呼叫C語言函數(shù)時，被呼叫者可以對這些緩存器進(jìn)行覆寫。?
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