|
引言 隨著(zhù)嵌入式系統在工業(yè)控制、汽車(chē)系統、家庭網(wǎng)絡(luò )、醫療衛生、無(wú)線(xiàn)技術(shù)等領(lǐng)域內的大量應用，嵌入式系統開(kāi)發(fā)者必須面對務(wù)種復雜的挑戰，其中就包括如何在代碼性能和系統成本之間進(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ARM Cortex系列提供了一個(gè)標準的體系結構來(lái)滿(mǎn)足各種技術(shù)的不同性能要求，是專(zhuān)門(mén)針對功耗和成本敏感的嵌入式應用領(lǐng)域實(shí)現高性能而設計的，它大大簡(jiǎn)化了編程的復雜性，其成熟的技術(shù)使ARM架構成為各種應用的上佳選擇。 ARM Cortex處理器的統一技術(shù)是Thumb-2技術(shù)，它以現有的ARM技術(shù)為基礎，綜合了ARM指令和Thumb指令的優(yōu)勢，對優(yōu)化嵌人式軟件設計具有獨到的優(yōu)勢，提供了最佳的代碼密度，能更合理地使用存儲器，對于靠近處理器內核的高速存儲器至關(guān)重要，即使只節省小部分內存，也將大大提高系統的性能，大幅降低功耗。 1 Thumb-2 指令簡(jiǎn)介 并非所有的運算都能夠映射到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(fǎng)問(wèn)協(xié)處理器，不能使用異常中斷指令，不支持媒體功能，當應用中有這些需求而且對存儲器窄問(wèn)要求較高時(shí)，必須混合使用ARM指令和Thumb指令，處理器內核根據需要切換到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充分利用存儲器，需要反復調整哪些代碼使用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)流程變得非常復雜。 Thumb-2技術(shù)足對ARM架構的非常重要的擴展，它可以改善Thumb指令集的性能。Thumb-2指令集在現有的Thumb指令的基礎上做了如下的擴充： · 增加了一些新的16位Thumb指令來(lái)改進(jìn)程序的執行流程 · 增加了一些新的32位Thumb指令以實(shí)現一些ARM指令的專(zhuān)有功能。 · 擴充原有的ARM指令，增加了一些新的指令來(lái)改善代碼性能和數據處理的效率。 使用Thumb-2指令就不需要在A(yíng)RM/Thumb狀態(tài)之間反復切換了，代碼密度和性能得到的顯著(zhù)的提高。 2 使用Thumb-2指令優(yōu)化設計 對于已經(jīng)有ARM處理器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的嵌入式開(kāi)發(fā)工程師析言，使用Thumb-2技術(shù)是非常簡(jiǎn)單的，因為T(mén)humb-2技術(shù)是在A(yíng)RM和Thumb基礎上經(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)人員在設計嵌入式軟件時(shí)，只需要重點(diǎn)關(guān)注對整體性能影響最大的那部分代碼設計，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漢名距離變化對比 
如表1所示，兩組代碼都是用于計算表達式(x1+x2)x(x3-x4)的值，分別使用3條指令束實(shí)現。每條指令先成的功能、字書(shū)數、寄存器的使用數目、操作碼都完全一樣，不同之處就是各寄存器操作數的二進(jìn)制編碼不同。 Rd代表目標寄存器，Rn和Rm代表源操作數寄存器。執行原代碼時(shí)，Rd的比特位變化4次，Rn和Rm分別變化3次和5次，操作數總的比特位變化12次。執行優(yōu)化后的代碼時(shí)，操作數總的比特位變化為6次，僅為原代碼的一半，能有效地降低指令執行時(shí)的功耗。 2．2擅用16位常數指令 Thumb-2指令集中增加了2條關(guān)于16位常數的新指令。MOVW可以把一個(gè)16位常數加載到寄存器中，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位常數加載到寄存器中。 操作32位立即數或是訪(fǎng)問(wèn)外設，都需要把32位常數加載到寄存器中。對于原來(lái)的ARM/Thumb指令系統，因指令編碼位數限制．最多只能使用12位常數，且其有效位數只有8位，另外4位用于移位。對任意一個(gè)32位的立即數或者一個(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位數據放在數據緩沖區中，同時(shí)用基于PC的LDR指令讀取該數據，程序執行時(shí)，會(huì )在處理器中引起額外的開(kāi)銷(xiāo)，這些開(kāi)銷(xiāo)來(lái)自于需要額外的時(shí)鐘周期使數據端口能夠對指令流進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。 用兩條指令把32位常數分成兩個(gè)16位常數分兩次加載到寄存器中，意味著(zhù)數據直接在指令流內部，不再需要通過(guò)數據端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。相對于LDR偽指令方式，這種解決辦法可以消除通過(guò)數據端口訪(fǎng)問(wèn)指令流的額外開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)而提高性能，降低功耗。 2．3靈活應用位操作指令 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，如需要對某個(gè)變量中的某幾位賦值或復位。提取寄存器的部分數據位信息，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算指令和移位操作指令的組合來(lái)實(shí)現。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]。對于原代碼，因為需要屏蔽寄存器R1和R2的16位數據，需要16位常數參與，所以使用MOVW指令把16位常數引入，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，而且不需要額外的寄存器參與計算。 表2位操作指令對比
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目就可以明顯減少，使用壓縮的數據結構也會(huì )更加方便。而代碼對寄存器的需求也會(huì )降低。 2．4 選擇字節 對于習慣使用高級語(yǔ)言編程的開(kāi)發(fā)者，大都喜歡用if-then-else語(yǔ)句來(lái)控制程序流程．但高級語(yǔ)苦編寫(xiě)的程序最終都要轉換為體現機器指令的匯編程序，往往一條高級語(yǔ)占語(yǔ)句需要轉換成很多條匯編指令，除編程方便外，高級語(yǔ)言在執行效率和存儲空間上都沒(méi)有優(yōu)勢。Thumb-2指令中提供一條類(lèi)似于if-then-else語(yǔ)句的指令，具體格式如表3所示。 使用SEL指令能夠實(shí)現程序的流程控制，而且一條匯編指令實(shí)現了4條if-then-else語(yǔ)句的功能，只是每條分支只能為字符型數據賦值，相當于c語(yǔ)言中的4個(gè)條件運算符語(yǔ)句。 表3 SEL指令
2．5寄存器倒轉 一些強調算法(如FFT)的程序通常要求把源寄存器的hit[n]賦值到目標寄存器的bit[31-n]，比特倒轉指令RBIT就能夠很好地實(shí)現。如果不使用該指令，實(shí)現同樣的功能會(huì )需要很多條移位指令和邏輯操作指令才能完成，同時(shí)還需要一個(gè)保存中間變量的寄存器。而使用比特反轉指令能明顯降低需要的指令的數目和節約寄存器。 Thumb-2指令中的寄存器倒轉語(yǔ)句如表4所示，包含比特倒轉、字節倒轉及帶符號倒轉。 表4倒轉指令集
對于一些編碼／解碼或加密／解密程序通常要求對數據進(jìn)行高低字節互換，字節倒轉指令REV 2．6實(shí)現跳轉表 使用跳轉表來(lái)控制程序的執行方向足高級語(yǔ)言的一個(gè)常見(jiàn)特性，使用ARM和Thumb指令集都可以很好的實(shí)現這個(gè)功能。使用ARM指令集一般是為了生成高性能的代碼，編澤器會(huì )以代碼密度為代價(jià)對性能進(jìn)行優(yōu)化。而Thumb編譯器則會(huì )使用壓縮的數據表來(lái)盡可能的降低代碼大小。 Thumb-2指令集引入了兩條跳轉表指令TBB和TBH，分別對應字節分支跳轉和半字分支跳轉。它綜合了ARM／Thumb的優(yōu)點(diǎn)，在壓縮的數據表上可以使用最少的指令來(lái)實(shí)現跳轉表功能，最終可以以最小的代碼和數據實(shí)現最優(yōu)的性能。 2．7 改善小額數值運算速度 對于普通的控制系統或數據采集系統，精度往往并不要求很高，12位數據已經(jīng)足夠，但ARM指令和Thumb指令都不提供12位立即數的相關(guān)指令(前文已經(jīng)說(shuō)明，ARM指令中的12位立即數的有效位數是8)。ThurIlb-2技術(shù)提供2條12位立即數參與加法和減法運算的指令，指令格式如表5所示，利用這2條指令能夠改善數據處理速度。 表5 12位立即數的算術(shù)運算
特別是閉環(huán)控制系統，需要根據預設值和反饋值計算偏移量，并根據偏移量來(lái)控制被控對象。預設值通常是一個(gè)常量，在系統運行過(guò)程中都不會(huì )改變。習慣于高級語(yǔ)言編程的開(kāi)發(fā)者喜歡使用宏定義的方式來(lái)設置該常量，但讀取保存在內存中的常量會(huì )降低數據處理速度，如果把常量保存在寄存器當中則浪費一個(gè)非常宗貴寄存器。針對預設值不易改變的情況，直接使用12位立即數來(lái)表示該預設常量并直接參與算術(shù)運算的方式既可以節約存儲空間，還能夠改善數據處理速度，而且與12位AD轉換器做反饋采樣環(huán)節剛好對應。 2．8最大限度地使用寄存器 像ARM這樣的load-store體系結構的處理器上，訪(fǎng)問(wèn)寄存器中的數據要比訪(fǎng)問(wèn)存儲器中的數據效率高很多，為軟件變量分配寄存器要遠比分配存儲空間性能優(yōu)越。 ARM Cortex處理器共有14個(gè)通用寄存器，實(shí)際工程應用軟件巾的變量數大多超出14個(gè)，但數值較小，可以把多個(gè)變量存放在一個(gè)寄存器當中。還可以讓不同函數的局部變量對寄存器進(jìn)行時(shí)分復用，以充分發(fā)揮寄存器的優(yōu)勢。 2．9其他 Thumb-2技術(shù)提供2條過(guò)零檢測并跳轉的指令CBZ和CBNZ。分別對應檢測到零跳轉或檢測到非零跳轉。該指令可以被用來(lái)替換常用的一個(gè)指令序列：與零比較，以及隨后的跳轉指令，這樣的指令序列通常被用來(lái)檢查指針是否為空。Thumb-2指令集中還增加了訪(fǎng)問(wèn)協(xié)處理器的指令，這樣Thumb-2代碼就可以直接支持欠量浮點(diǎn)防處理器，以及其他的協(xié)處理器。配合其他訪(fǎng)問(wèn)系統寄存器的指令。整個(gè)應用程序就都可以用Thumb-2指令來(lái)實(shí)現，不必再切換的ARM狀態(tài)才能實(shí)現一些特殊的功能。 3 結束語(yǔ) 在一個(gè)應用程序中，要實(shí)現最好的性能．就需要編寫(xiě)優(yōu)化的匯編程序。只不過(guò)是對性能影響最大的關(guān)鍵程序才值得優(yōu)化�？梢允褂眯阅芊治銎骰蛘咧噶钪芷谟嫈倒ぞ邅�(lái)找這些敏感的關(guān)鍵程序段。優(yōu)化程序的基本思想就是盡可能地壓縮代碼尺寸以節省存儲空間，盡可能提高程序的執行效率以獲得更高的性能，并降低功耗。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：結合Thumb-2指令特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化嵌入式軟件設計。 作者：謝川 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第4-2期 |
