孫逸峰 王曉玲 錢 杰

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展。目前應(yīng)用較為廣泛的DSP芯片是美國(guó)Taxas公司生產(chǎn)的TMS320系列的DSP處理器[1]。高速處理器的應(yīng)用一方面大大提升了嵌入式系統(tǒng)的性能，另一方面卻增加了軟件測(cè)試的難度。針對(duì)高速處理器嵌入式軟件測(cè)試構(gòu)建目標(biāo)碼測(cè)試環(huán)境時(shí)面臨的2個(gè)難題：1)難以實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的注入與獲取;2)難以采集動(dòng)態(tài)測(cè)試目標(biāo)碼覆蓋信息。全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境在軟件測(cè)試中的應(yīng)用很好地解決了上述問題。全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境是使用軟件仿真的方式構(gòu)造嵌入式軟件運(yùn)行所需的硬件環(huán)境及外部數(shù)據(jù)源，構(gòu)成全數(shù)字嵌入式軟件運(yùn)行環(huán)境，利用對(duì)運(yùn)行環(huán)境的高度可控性，可以完成測(cè)試中所需數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析工作，并可以全面監(jiān)控被測(cè)軟件的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

虛擬內(nèi)核的研制是搭建全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境的關(guān)鍵，其運(yùn)行效率影響著全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境的性能。以TMS320VC33為例，真實(shí)處理器內(nèi)核執(zhí)行每條指令都需要經(jīng)過取指、譯碼、讀操作數(shù)和執(zhí)行四級(jí)流水，采用軟件仿真的方式實(shí)現(xiàn)這些步驟十分復(fù)雜，仿真一級(jí)流水通常需要數(shù)條甚至于數(shù)百條指令，如果再加上流水線停頓周期，虛擬內(nèi)核的運(yùn)行速度大概只有真實(shí)處理器內(nèi)核的幾百分之一[3]。流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)虛擬內(nèi)核運(yùn)行效率的提高有重要的意義。本文以TMS320系列的DSP處理器TMS320VC33為例研究虛擬內(nèi)核流水線的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 倒序流水線仿真

TMS320VC33采用了4級(jí)流水線的工作方式，即一條指令分為取指、譯碼、讀操作數(shù)和執(zhí)行4個(gè)階段。每個(gè)階段的任務(wù)如下：

1)取指階段：從寄存器中取指令字并更新程序計(jì)數(shù)器PC的值；

2)譯碼階段：對(duì)指令字進(jìn)行譯碼并產(chǎn)生地址；

3)讀操作數(shù)階段：從存儲(chǔ)器或寄存器中讀操作數(shù)；

4)執(zhí)行階段：從寄存器中讀出操作數(shù)后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并向目的地址寫結(jié)果[4]。

任何一條指令都必須經(jīng)過上述4個(gè)階段的處理。圖1說明了流水線的結(jié)構(gòu)，圖中W，X，Y，Z代表具體指令，在第m個(gè)周期，這4個(gè)階段處于完全并行狀態(tài)，即完全重疊在一起，從而進(jìn)入正常的流水線作業(yè)流程[5]。

圖1 TMS320VC33處理器流水線結(jié)構(gòu)

流水線仿真設(shè)計(jì)主要存在以下2個(gè)難點(diǎn)：

1)真實(shí)處理器內(nèi)核指令執(zhí)行過程中，流水線各階段并行執(zhí)行，而在虛擬內(nèi)核中是串行順序仿真，如果指令正向推進(jìn)，每個(gè)階段執(zhí)行過后將指令推進(jìn)到下一個(gè)階段都需要額外的緩沖區(qū)，這就需要耗費(fèi)大量的內(nèi)存空間；

2)流水線取指階段負(fù)責(zé)產(chǎn)生指令的地址，在碰到分支指令時(shí)，順序仿真首先實(shí)現(xiàn)取指，即對(duì)第一個(gè)分支的指令進(jìn)行取指，而此時(shí)分支判斷還未執(zhí)行，未獲得程序的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)注入流水線。出現(xiàn)這種情況需預(yù)先判斷是否存在錯(cuò)誤，然后清空流水線，這些操作會(huì)影響虛擬內(nèi)核運(yùn)行效率。

針對(duì)上述2個(gè)問題，在流水線仿真設(shè)計(jì)中應(yīng)采用倒序流水線仿真。倒序流水線仿真就是在仿真流水線時(shí)按照真實(shí)處理器內(nèi)核流水的倒序進(jìn)行仿真，先仿真執(zhí)行階段，之后依次是讀操作數(shù)階段、譯碼階段及取指階段。整個(gè)虛擬內(nèi)核的運(yùn)行由1個(gè)循環(huán)體構(gòu)成，循環(huán)體中包含四級(jí)流水線的倒序仿真，每循環(huán)1次就代表1個(gè)時(shí)鐘周期。

While(1)

{

Execute();//執(zhí)行階段仿真

ReadReg();//讀寄存器階段仿真

Decode();//譯碼階段仿真

Fetch();//取指階段仿真

If(execute_end) break;//程序執(zhí)行結(jié)束，退出循環(huán)體

}

倒序流水線仿真不僅可以減少系統(tǒng)規(guī)模還可以提高虛擬內(nèi)核的運(yùn)行效率。

1)采用倒序仿真可以有效節(jié)省內(nèi)存空間，減小系統(tǒng)規(guī)模

理論上每1個(gè)時(shí)鐘周期四級(jí)流水線都有指令在執(zhí)行，由于讀操作數(shù)階段不對(duì)指令本身進(jìn)行操作，只是從存儲(chǔ)器和寄存器中讀取數(shù)據(jù)，所以在流水線仿真的討論中暫不考慮這一階段。圖2為流水線順序仿真示意圖，t時(shí)刻指令n處于取指階段，同一時(shí)鐘周期下的譯碼階段正在對(duì)指令n+1進(jìn)行譯碼，而執(zhí)行階段正在對(duì)指令n+2進(jìn)行執(zhí)行操作。

流水線仿真過程中需要設(shè)計(jì)1個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存譯碼結(jié)果，以備后續(xù)的執(zhí)行階段使用。當(dāng)流水線正在執(zhí)行n指令時(shí)，n+1指令在譯碼階段需要開辟一塊內(nèi)存空間利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存譯碼結(jié)果。同一時(shí)鐘周期下流水線執(zhí)行n指令需要使用譯碼結(jié)果，就要保留上一個(gè)周期n指令處于譯碼階段時(shí)所開辟的內(nèi)存空間。這樣就需要2塊內(nèi)存空間來保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而流水線倒序仿真時(shí)可有效地避免這種情況。

圖2 流水線順序仿真

如圖3所示，在倒序仿真的情況下執(zhí)行先于譯碼，在t時(shí)刻，流水線執(zhí)行n指令，譯碼n+1指令，此時(shí)開辟內(nèi)存空間，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存指令n+1的譯碼結(jié)果。下一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行n+1指令時(shí)所需要的譯碼結(jié)果就可以從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中直接獲得，而本周期n指令執(zhí)行所需要的譯碼結(jié)果來自上一個(gè)周期n指令的譯碼階段。所以，每個(gè)時(shí)鐘周期譯碼階段只需要開辟一塊內(nèi)存空間用于存儲(chǔ)譯碼結(jié)果。由此可見，在流水線倒序仿真比順序仿真可以節(jié)省近50%的內(nèi)存空間。

圖3 流水線倒序仿真

2)采用倒序仿真符合指令跳轉(zhuǎn)需要，可以提高虛擬內(nèi)核的運(yùn)行效率

如果是順序仿真，在碰到分支指令時(shí)，首先進(jìn)行取指，即對(duì)第一個(gè)分支中的指令進(jìn)行取指，而此時(shí)分支判斷還未執(zhí)行，未獲得程序的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)注入流水線。防止這種錯(cuò)誤只能靠分支判斷執(zhí)行后再判斷跳轉(zhuǎn)地址與取指產(chǎn)生地址是否相同，如果不相同要清空流水線，這一系列操作都會(huì)導(dǎo)致流水線仿真的效率降低。

如果是倒序仿真就可以更好地保證跳轉(zhuǎn)指令的正確執(zhí)行，因?yàn)榈剐蛄魉€依次是執(zhí)行、讀操作數(shù)、譯碼和取指，在執(zhí)行階段后，分支判斷已經(jīng)執(zhí)行，那么取指階段就可以及時(shí)獲得正確的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)，從而防止錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)注入流水線，避免了地址判斷和清空流水線等一系列操作，從而提高虛擬內(nèi)核的運(yùn)行效率。

2 譯碼緩存策略

根據(jù)“二八原理”：在程序執(zhí)行過程中，20%的代碼完成了80%的工作，嵌入式軟件中通常包含了大量需要重復(fù)執(zhí)行的代碼[6]，指令的重復(fù)執(zhí)行需要不斷重復(fù)地進(jìn)行譯碼操作，而譯碼階段主要包括指令的識(shí)別、指令類型的確定以及指令間相關(guān)性的檢測(cè)[7]，是一個(gè)復(fù)雜度較高的步驟。如果在仿真過程中，對(duì)譯碼階段不進(jìn)行特殊處理，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，限制仿真的速度。為了提高譯碼階段的效率，可以將譯碼的結(jié)果緩存起來，譯碼過程將轉(zhuǎn)變?yōu)椴檎揖彺嬷惺欠癜g碼指令字的譯碼結(jié)果。若存在，則直接取出譯碼結(jié)果進(jìn)入下一級(jí)流水；否則，進(jìn)行譯碼，并將譯碼結(jié)果放入譯碼緩存中。若譯碼緩存已滿，則使用某種緩存替換算法替換掉緩存中的一個(gè)已有項(xiàng)。

綜上所述，基于譯碼緩存策略對(duì)流水線譯碼階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在首次執(zhí)行代碼段時(shí)，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把譯碼的結(jié)果保存起來，如圖4(a)所示。圖2(b)為譯碼緩存中保存的一個(gè)譯碼結(jié)果，以指令A(yù)DDI R0,R1,R2為例，譯碼后的指令包括a1,a2和a3共3個(gè)操作數(shù)指針，它們指向虛擬的寄存器。f是函數(shù)指針，譯碼后指向相應(yīng)指令的功能模擬函數(shù)do_add()，該函數(shù)完成不進(jìn)位加法指令的運(yùn)算，并把結(jié)果寫回到目的操作數(shù)。譯碼結(jié)果存儲(chǔ)在譯碼緩存中，該緩存的結(jié)構(gòu)和原理與硬件指令Cache基本相同。每條指令進(jìn)入譯碼階段時(shí)，首先查找譯碼緩存中是否存在該指令所對(duì)應(yīng)的譯碼結(jié)果，若查找命中，即可直接進(jìn)入執(zhí)行階段?；谧g碼緩存策略的流水線仿真設(shè)計(jì)可以在一定程度上省去昂貴的譯碼開銷，提高流水線的仿真效率。

圖4 譯碼緩存策略存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

3 預(yù)譯碼策略

雖然譯碼緩存策略可以降低指令譯碼操作的重復(fù)性，局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1次譯碼多次執(zhí)行，但是流水線仿真依然將大部分時(shí)間花在了譯碼上。如果可以將循環(huán)體中的譯碼操作移到循環(huán)體外執(zhí)行，即先對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行譯碼并保存中間結(jié)果，隨后根據(jù)此中間結(jié)果直接運(yùn)行循環(huán)體，那么這個(gè)流水線仿真的效率將大大提高。

于是在仿真流水線時(shí)將譯碼階段前移，在目標(biāo)文件加載時(shí)一次性對(duì)目標(biāo)二進(jìn)制代碼進(jìn)行譯碼，譯出指令中的操作碼，從指令中提取出如源、目地寄存器編號(hào)、立即操作數(shù)值、確定每條指令模擬函數(shù)地址，并用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將上述結(jié)果存儲(chǔ)起來，形成預(yù)譯碼產(chǎn)生的中間代碼[8]，如圖5所示。由于每條中間代碼指令已經(jīng)包含操作碼和操作數(shù)，仿真執(zhí)行時(shí)可以將譯碼階段省去，直接從保存中間代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中取出中間代碼指令，完成流水線操作，在全局范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了一次譯碼，多次執(zhí)行。譯碼操作被獨(dú)立了出來，因此實(shí)際執(zhí)行目標(biāo)代碼的時(shí)間大大縮短，流水線的仿真效率得到了較大提高。

圖5 預(yù)譯碼策略示意圖

4 流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)很大程度上影響整個(gè)虛擬內(nèi)核的運(yùn)行效率。上述優(yōu)化策略從不同角度對(duì)TMS320VC33流水線的仿真效率進(jìn)行提高，但要最大程度上加快虛擬內(nèi)核的運(yùn)行速度，需要提出流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，如圖6所示。

圖6 TMS320VC33流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

TMS320VC33流水線仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案基于倒序流水線仿真，在目標(biāo)程序加載過程中使用預(yù)譯碼策略一次性對(duì)目標(biāo)二進(jìn)制代碼進(jìn)行譯碼，得到譯碼結(jié)果，并將其保存為有指針指向的中間代碼。指令進(jìn)入倒序流水的譯碼階段時(shí)直接從保存中間代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中取出中間代碼指令，完成流水線操作，并將取出的中間代碼指令保存在譯碼緩存中。再次譯碼過程將轉(zhuǎn)變?yōu)椴檎揖彺嬷惺欠癜g碼指令字的譯碼結(jié)果。若存在，則直接取出譯碼結(jié)果進(jìn)入下一級(jí)流水；否則，查詢保存中間代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將譯碼結(jié)果放入譯碼緩存中。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能有效地減少流水線譯碼階段的開銷，加快流水線執(zhí)行速度，提高虛擬內(nèi)核運(yùn)行效率。

5 總結(jié)

本文探討了倒序流水線仿真、譯碼緩存策略以及預(yù)譯碼策略等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)TMS320VC33虛擬內(nèi)核流水線仿真效率的提高，并在此基礎(chǔ)上提出了虛擬內(nèi)核流水線仿真方案。

TMS320VC33流水線仿真模塊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為DSP處理器虛擬內(nèi)核流水線仿真提供了技術(shù)參考，為進(jìn)一步研制其他高性能處理器虛擬內(nèi)核，并實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)核產(chǎn)品化，并為搭建相應(yīng)的全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

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