[Java知识库]【DSP】【第一篇】开始DSP学习

2022年6月14日

1. 部署开发环境

略。工作需要，TMS320C6678。
从今天开始学习DSP的知识。
后面会补充如何安装部署环境。

1.1 组件

1.1.1 SDK

• MCSDK（CCSv5,CCSv6）+Path(全英文路径，无中文，无空格)
  安装完之后，需要打一个补丁。

• Pocessor SDK (CCSv6)

1.1.2 组件

• XDCTools
• SYS/BIOS
• NDK
• UIA
• XDAIS
• Framework Components

1.1.3 算法库

• DSPLIB
• MATHLIB
• IMGLIB
• VLIB

1.2 集成开发环境

• Code Composer Studio （CCSv5，CCSv6）

1.3 其他

1.3.1 编译器

CGT 7.4.x ,CGT 8.1.x

1.3.2 编码/解码算法库

• 视频
  HEVC[H265]，压缩效率高，计算量大。
  H264 BP/MP/HP
  MPEG4
  JPEG
  JPEG2000

• 语音
  G711
  G722/G722…1/G722.2
  G726
  G728
  OPUS

• 医学有关

• 电信有关

1.4 安装过程

1.4.1 下载CCS镜像

-官网，搜索CCS，下载相关版本。
https://www.ti.com.cn/tool/cn/download/CCSTUDIO

1.4.2 安装CCS镜像

• 如果安装过程中，提示VC++运行库安装失败，可以先安装VC++2008以及VC++2012运行库[32位]，然后再安装CCSv5。

1.4.3 安装字体

• 推荐安装等宽字体，中英文宽度一致。
• 下载等宽字体，放到Windows的font文件夹中
• 在CCS软件中进行编码设置，字体设置。字体大小建议12号，脚本选择 中文GB2312。

1.4.4 修改主题

• 安装eclipse主题插件，Eclipse Marketplace，更新，搜索theme，
• 选择深色主题，保护眼睛。

1.4.5 菜单显示中文

• 安装eclipse的语言翻译，显示中文。

1.5 安装软件组件

嵌入式软件产品下载地址：https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/index.html
更老的一些软件：https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/legacy.html

1.5.1 TI-RTOS

https://www.ti.com.cn/tool/zh-cn/TI-RTOS-MCU?keyMatch=&tisearch=search-everything&usecase=software#downloads
https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/tirtos/index.html

1.5.2 SYS/BIOS

https://www.ti.com.cn/tool/cn/SYSBIOS?keyMatch=SYS%20BIOS%20DOWNLOAD
https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/bios/index.html

https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/bios/sysbios/index.html

1.5.3 网络NDK

https://www.ti.com.cn/tool/zh-cn/NDKTCPIP?keyMatch=&tisearch=search-everything&usecase=software
https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/ndk/index.html

1.5.4 UIA

https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/uia/index.html

1.5.5 IPC

https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/ipc/index.html

• 多核之间通信，多片之间通信。
• 已经不再更新

1.5.6 Multimedia Framework Products

• Codec Engine 管理资源，框架
  https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/ce/index.html

• Framework components 提供抽象的接口
  https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/fc/index.html

• XDAIS，XDM算法
  https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/xdais/index.html

1.5.7 XDCtools 实时软件组件

https://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/rtsc/index.html

1.5.8 CGT编译器

https://www.ti.com/tool/TI-CGT
https://software-dl.ti.com/codegen/non-esd/downloads/download_archive.htm

1.6 软件库

1.6.1 MATHLIB

https://www.ti.com.cn/tool/cn/MATHLIB?keyMatch=MATHLIB#downloads

1.6.2 IQMath

• C64x+ IQMath 库 - 虚拟浮点引擎
  https://www.ti.com.cn/tool/zh-cn/SPRC542?keyMatch=&tisearch=search-everything&usecase=partmatches

1.6.3 FastRTS

• 基本的数学运算的优化。

1.6.4 DSPLIB

• 数字信号处理，处理浮点

1.6.5 IMGLIB

• 图像处理，DCT变换，离散余弦变换
• 图像分析，直方图

1.6.6 VLB

• 更上层的图像处理

1.6.7 VICP

• 信号处理

1.6.8 VoLIB

• 声音处理库

1.6.9 FaxLIB

• 传真，编解码

1.6.10 AER/AEC

• 编解码

1.6.11 Codecs

• 编解码
• 语音，视频，图像编码

1.7 软件开发包

• MCSDK多核软件开发套件（比较老的）
• MCSDK-VIDEODEMO
• PROCESSOR-SDK-C667X

2. 基础知识

B站学习视频：北航电子信息工程学院王俊《DSP体系结构》

2.1 指令周期

冯诺依曼结构。

• 1个指令周期 = 1个或者多个机器周期。

• 1个机器周期 = 6个状态周期 = 12个时钟周期。6节（s）12拍（p）。

• 1个状态周期 = 2个时钟周期。
  

• 1个指令周期的执行过程：取指令，译码，执行，（写回）。
  取指令：从数据寄存器MDR，经过总线，读取到指令寄存器IR中。
  译码：指令译码器ID。将指令寄存器IR中的指令翻译一下。
  执行：执行指令译码器ID给出的指令。

• 在s1p1和s4p1下降沿时，分别读一次指令（每次读取一个字节）。
  

• 不同的指令，指令的长度是不一样的，指令的执行周期也是不相同的。有单字节单周期，双字节单周期，单字节双周期，双字节双周期，双字节三周期。。。。。。

2.2 执行性能

• 在主频相同的情况下，CPI越小，性能越好。

• 时钟频率：反应DSP实现技术，生产工艺

• CPI：反应DSP指令集结构，DSP体系结构。

• IC：反应DSP指令集的结构和编译技术，以及编程水平。
  

• 指令周期，指的是执行一条指令所需要的时间。通常以ns为单位。

• MAC时间，一次乘法和一次假发的时间。大部分DSP可以在一个指令周期内完成一次乘法和加法。

• FFT执行时间，衡量DSP芯片运算能力的一个指标。

• MIPS：即M+IPS。每秒执行百万条指令。

• MFLOPS，每秒执行百万次浮点操作。

• 在实际应用中，tdsp时间必须要小于采样时间ts，

2.2 流水线

• PipeLine。
• 使用流水线的方式，将CPI=12（24）降到CPI=1。

2.2.1 流水线的类型

（1）按照功能的多少来分
单功能流水线，只能完成一个功能。
多功能流水线，可以完成不同的功能。

（2）按照同一时间内各段之间的连接方式
静态流水线，同一时刻，各段按照一种功能连接。
动态流水线，同一时刻，各段可以按照不同功能连接。

（3）按照片内流水线的级别来分
片内，指令流水线DLX，运算流水线（核内流水线，核间流水线）。
片间，多芯片并行处理机。
机间，多处理机并行处理，任务流水。

（4）按照数据表示来分

（5）按照是否有反馈回路来分

2.2.2 指令流水线DLX（RISC架构）

• 处理器的体系结构，取指令，译码，执行，访存，写回。
  

2.2.3 指令流水线竞争

（1） 结构竞争，硬件资源无法满足指令流水线执行。

• 冯诺依曼结构只有一个总线，用于数据和指令的传输。
• 当流水线的两个环节都要访问内存时，会出现竞争。如下图所示，当第一个指令被传送到第四个环节时，出现第一个环节和第四个环节争抢总线的情况。
  
• 解决方式是，将指令向后移动，且必须移动到第四环节和第一环节不同时的位置。这种方式效率低。
  
  
• 另一种解决方式，另一种结构，哈佛结构。增加一条总线，数据和指令分开存放，避免冲突。
  

（2） 数据竞争，当前面指令结果无法及时输出。

• 靠编译器和编程方式来解决。

• 先写后读同一个寄存器，会产生竞争。如果采用后移等待的方式，效率会很低。
  

• 改成先读后写同一寄存器，不会产生竞争。
  

• 连续读或者连续写同一个寄存器，不会产生竞争。
  

• 消除数据竞争，尽量避免操作同一个寄存器；前移不会产生竞争的指令（中间插入其他的指令）。

• 编译器的选择：
  流水线的时钟正确，
  流水线的数据结果正确

（3）控制竞争，跳转等改变PC值指令预读取与实际不符。

• 指令5用来判断跳转方向，一种是继续执行指令6，一种是跳回指令1。
• 如果出现跳回指令1的情况，流水线下其他678指令已经被载入的部分需要被清除，这样中间就会出现空档，流水线断开了。
  
• 方法一：分支预测，加载执行概率大的指令。
• 方法二：跳转指令前移。如下图所示，除了指令1和指令6外，234是一定需要被执行的。
  

2.3 使得CPI进一步下降

视频连接《DSP体系结构》

• 已知，流水线使得CPI=12或24 降到 CPI=1。本节讲述如何使得CPI<1。
• 传统流水线CPI = 1。
• 一个时钟内完成多条指令CPI<1。

2.3.1 超流水线

• CPI=1,主频提升。
• 细化流水，提高主频，空间换时间。
• Pentium4 奔腾4处理器上，应用20级流水线。
• 《百度百科》超流水处理器是相对于基准处理器而言的，一般cpu的流水线是基本的指令预取,译码,执行和写回结果四级。超流水线（superpiplined）是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步（级）数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。

2.3.2 超长指令字（VLIW，very long instruction word）

• 一个时钟内完成多条指令CPI<1
• 一个非常长的指令组合，8x32bit = 256bits。多个流水线并在一起。
• TI公司的C6000系列之后开始使用VLIW技术。
• 程序编译时，根据并行性，组合为多操作超长指令字。会有很多的32位空指令，程序编译后，比较大，程序存储效率不高。
• VLIW每段对应不同的操作单元。D,D,M,M,L,L,S,S。
  （1）每个时钟周期启动一条VLIW指令。
  （2）每段控制一个操作单元。
  （3）编译，编程时，解决竞争问题，控制硬件较简单。
  

2.3.3 超标量（super scalar）

• 与VLIW结构类似。
• 执行时，根据资源，数据竞争，决定个单元是否执行。
• 在超长指令集基础上程序的存储效率提升。

2.4 DSP软件优化技术

• 软件优化的实质：如何高效使用DSP中的硬件资源。
• 需要我们了解硬件有哪些硬件资源。

2.4.1 了解DSP的硬件资源

简述

• 以TI公司的TMS320C6678为例。
• L1存储器（L1P程序，L1D数据），L2存储器。

功能单元

• 有两个寄存器组A和B，每个寄存器组有4个功能单元MLSD。
  （1）M，multiplier乘法器。
  （2）L，ALU逻辑单元。
  （3）S，Data数据单元。
  （4）D，Control控制和跳转单元。
  

交换路径

A侧和B侧交换数据。

内部总线

指令流水线

三条指令，没有流水线时，串行执行，需要9个时钟周期。采用流水线，只需要5个时钟周期。

指令延迟

• 大部分的指令立刻可以得到结果。
• 乘法，延迟1拍。
• 浮点乘法，延迟2拍。
• 数据加载，需要先给一个地址，存储器才返回一个数据，需要延迟4拍。
• 跳转，需要清除之前已经预存的指令，需要延迟5拍。
  

2.4.2 DSP软件优化

• 软件优化的目的：运行速度和代码尺寸。
• 优化编程的要求：熟悉处理器架构，熟悉编程语言（C，汇编，线性汇编）。
• 了解代码生成工具（编译器，汇编器，链接器）
• C6X优化C编译器，使用ANSI C源代码，可以达到手工优化的80%。需要了解各种优化等级。

汇编优化的手段

（1）指令并行。
（2）填充NOP指令。
（3）循环展开。（消除sub，b指令开销）。
（4）字或者双字访问。

2.4.3 参考优化案例

• 加载数据的指令，可以并行执行。
• 消除sub+b跳转的时间等待。
  
  
• 循环展开，消除跳转指令的开销。
  
• 使用字或者双字访问
  

2.4.4 软件流水操作

B站视频《DSP软件优化》

1. C语言实现算法

2. C6x的线性汇编

• 无延迟Nop
• 无指令并行
• 无需考虑功能单元和寄存器
  

3. 设计关系图

• 得到代码的过程中，依存关系，数据路径，指导我们分配资源。
• 绘制算法节点和路径
• 写出指令周期数消耗
• 分配功能单元到节点
• 将节点分成A，B两侧所有功能单元
  

4. 分配寄存器

5. 创建进程表

• 前7个时钟周期，处于建立循环的过程。
• 第8个时钟周期开始，是循环体。
• 图中没有给出循环结束后的，循环收尾处理的过程。
  

6. 转换C6x代码

• Prolog，循环建立

• Loop，循环

• Epilog，循环收尾，已知循环体包括加载两个数据，乘法，加法。循环收尾和循环建立对应且互补。

• 额外的load
  

• 完整的进程表，包括循环收尾，如下图。
  

• Loop Only，在循环过程中，把收尾工作实现。
  去除除跳转指令的所有指令。
  清零输入寄存器，累加器和中间积。
  调整减法数量。
  

2.4.5 C代码优化

• Intrinsics内联技术。
  （1）直接阈C6000汇编指令相对应的特殊内联函数，没有函数调用开支。
  （2）使用C的变量名（不是寄存器），与C环境兼容。
  （3）不增加C的编程工作量。
  （4）代码效率与汇编相同。

• C代码：（代码效率低）

y=a*b;

• 使用Intrinsics的C代码：

y = _mpy(a,b);

• 嵌入汇编：（容易破坏C环境）

asm("MPY A0,A1,A2");

• 汇编代码：（编程工作量大）

MPY A0,A1,A2   ;a,b,y

3. 其他