◆楊陽(yáng)朝 呂相文 呂東岳

VLIW DSP處理器下復(fù)數(shù)乘法單元優(yōu)化方法

◆楊陽(yáng)朝 呂相文 呂東岳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 北京 100041)

當(dāng)今VLIW DSP處理器擁有的指令種類(lèi)越來(lái)越多，它們大多利用單一指令來(lái)完成一組復(fù)雜的計(jì)算，從而提高相關(guān)操作的執(zhí)行效率。復(fù)數(shù)乘法在數(shù)字信號(hào)處理程序中占有很大的比例，現(xiàn)在很多DSP處理器并不能自動(dòng)地利用自身攜帶的復(fù)數(shù)乘法模塊，不能充分利用復(fù)數(shù)乘法指令，編譯器如何自動(dòng)高效地識(shí)別并合成處理器特有的累加指令就變得尤為重要。此外，乘法結(jié)果不經(jīng)安全性檢查的使用，也會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文提出一種基于BWDSP處理器自動(dòng)識(shí)別合成帶有安全特征碼的復(fù)數(shù)乘法指令的算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法提高系統(tǒng)原有的復(fù)數(shù)乘法指令的使用效率和可靠度，從而提高相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理程序在BWDSP處理器上的性能和安全性。

VLIW；DSP；復(fù)數(shù)乘法；安全性

1 簡(jiǎn)介

DSP處理器程序中有很多復(fù)數(shù)乘法操作，在一次傳統(tǒng)復(fù)數(shù)乘法中需要4次乘法、1次加法和1次減法運(yùn)算，共6條指令。BWDSP處理器提供了在單個(gè)時(shí)間周期內(nèi)完成一個(gè)復(fù)數(shù)乘法的指令，大大減小了運(yùn)算時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。指令包括了定點(diǎn)復(fù)數(shù)和浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法。浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法的指令形式為：

{Macro} QFRm+1:m_n+1:n=CFRm+1:m*CFRn+1:n

表示32位浮點(diǎn)復(fù)數(shù)CFRm+1:m和32位浮點(diǎn)復(fù)數(shù)CFRn+1:n相乘，其中FRm+1和FRn+1表示兩個(gè)實(shí)數(shù)的實(shí)部，F(xiàn)Rm和FRn表示兩個(gè)實(shí)數(shù)的虛部。F表示是浮點(diǎn)形式，C表示參與操作的是復(fù)數(shù)。輸出四個(gè)32位浮點(diǎn)復(fù)數(shù)相乘的中間四個(gè)分量，其中，Rm+1 * Rn+1放Rm+1；Rm+1 * Rn放在Rm；Rm * Rn放在Rn+1；Rm * Rn+1放在Rn。

定點(diǎn)復(fù)數(shù)的乘法指令形式如下：

{Macro} CRs+1:s=CRm+1:m*CRn+1:n

表示32位定點(diǎn)復(fù)數(shù)Rm+1:m和定點(diǎn)復(fù)數(shù)Rn+1:n相乘，結(jié)果放在Rs+1:s寄存器上。本文算法包括指令調(diào)度、指令識(shí)別、指令替換三個(gè)模塊。

2 調(diào)度模塊

本小節(jié)為指令調(diào)度模塊，將代碼進(jìn)行歸整，盡可能將復(fù)數(shù)相乘的操作集中在一起，利于相關(guān)指令的識(shí)別操作。算法分為以下兩個(gè)部分。

第一部分自上而下掃描程序的中間語(yǔ)言，判斷所有流程塊中的每條指令，如果當(dāng)前指令是load指令，且與之前計(jì)算操作指令沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)，則在當(dāng)前cb塊中向前移動(dòng)op以及與op有關(guān)的讀取指令，直到排在最前端的load指令列最后。

第二部分自下而上掃描程序的中間語(yǔ)言，判斷所有流程塊中的每條指令，如果當(dāng)前指令是store指令，且與之后計(jì)算操作指令沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴(lài)，則在當(dāng)前cb塊中向后移動(dòng)op以及與op有關(guān)的讀取指令，直到排在最后端的store指令列最前。

3 識(shí)別模塊

本小節(jié)對(duì)集中的計(jì)算主體代碼進(jìn)行識(shí)別，稱(chēng)這部分代碼為主體代碼。算法包括逐條結(jié)構(gòu)性尋找、寄存器依賴(lài)判斷和指令安全特征標(biāo)注等，流程如下：

（1）主體代碼的指令數(shù)目是否大于等于6，如果不是，算法返回，提交已識(shí)別的指令；如果是，下一步；

（2）自上而下識(shí)別每條指令，直到找到兩條相連的定點(diǎn)或浮點(diǎn)乘法指令，且后一條加法或減法指令；

（3）從(2)中找到的乘法指令之后的指令自上而下識(shí)別，若碰到mov指令，則繼續(xù)，若找到兩條相連的定點(diǎn)或浮點(diǎn)乘法指令，且后一條為加法或減法指令，進(jìn)入(4)。如果碰到其他計(jì)算指令或者除mov指令的特殊指令，則將此步驟中最后一條指令設(shè)置為起始指令，轉(zhuǎn)入(10)；

（4）找到的4條乘法指令和2條加減法指令是否都是對(duì)浮點(diǎn)數(shù)或者定點(diǎn)數(shù)的操作，如果是，進(jìn)入(5)；否則，設(shè)置后面組乘法指令的第一個(gè)指令為起始指令，進(jìn)入(10)；

（5）判斷兩組乘法指令之后的加減法指令是否不同，即一個(gè)加法，另一個(gè)是減法，如果不同則進(jìn)入(6)，否則設(shè)置第二組中加減法指令的下一條指令為起始指令，進(jìn)入(10)；

（6）如果當(dāng)前兩組指令之間存在mov指令，則判斷其中的mov指令是否與后一組指令或第一組指令中的乘法指令之間存在數(shù)據(jù)依賴(lài)，如果存在，則設(shè)置后一組指令的下一條指令為起始指令，進(jìn)入(10)，如果不存在，則進(jìn)入(7)；

（7）判斷每組當(dāng)中的加減法指令的源操作數(shù)是否是當(dāng)前組之前兩條乘法指令的目的操作數(shù)，且每組中的兩條乘法指令的源操作數(shù)各不相同，如果滿足條件，則進(jìn)入(8)，否則設(shè)置后一組指令的下一條指令為起始指令，進(jìn)入(10)；

（8）判斷每組指令中的兩條乘法指令的源操作數(shù)交叉后產(chǎn)生的4 種不同組合中，是否每個(gè)組合都是滿足兩條乘法指令的源操作數(shù)一個(gè)相同，另一個(gè)不同。若滿足，轉(zhuǎn)向(9)，否則設(shè)置后一組指令的下一條指令為起始指令，進(jìn)入(10)；

（9）識(shí)別當(dāng)前兩組6條指令為一次復(fù)數(shù)乘法指令，并在中間代碼增加安全特征碼，設(shè)置后一組指令的下一條指令為起始指令，進(jìn)入(10)；

（10）判斷當(dāng)前起始指令是否超出當(dāng)前主體代碼，如果是，則算法返回，否則，將起始指令開(kāi)始到主體代碼的最后一條指令設(shè)置為新的主體代碼，轉(zhuǎn)入(1)。

4 替換模塊

在對(duì)復(fù)數(shù)乘法指令識(shí)別之后，需要將復(fù)數(shù)乘法計(jì)算相關(guān)的指令替換成為處理器擁有的單條復(fù)數(shù)乘法指令。

對(duì)于定點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法，BWDSP處理器上定點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法指令可以直接計(jì)算出結(jié)果，所以將帶有標(biāo)志的復(fù)數(shù)乘法指令替換后，就完成了復(fù)數(shù)乘法指令的優(yōu)化。

對(duì)于浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法，BWDSP處理器上的浮點(diǎn)單個(gè)復(fù)數(shù)乘法指令只能計(jì)算出復(fù)數(shù)乘法產(chǎn)生的4個(gè)中間值，需要一個(gè)減法指令來(lái)得出復(fù)數(shù)乘法結(jié)果復(fù)數(shù)的實(shí)部，需要一個(gè)加法指令來(lái)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果復(fù)數(shù)的虛部。因此，先利用浮點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法指令替換原先的乘法指令，然后放在原先的減法和加法指令之前。

替換后的編譯器中間代碼均帶有安全特征碼，這樣便于用于編譯器后端各種安全策略對(duì)指令的識(shí)別，針對(duì)性地開(kāi)展安全檢測(cè)和流程判斷，從而增強(qiáng)代碼的健壯性和安全性。

5 結(jié)果與分析

我們?cè)贐WDSP仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)本文復(fù)數(shù)乘法指令優(yōu)化，利用BWDSP處理器特有的復(fù)數(shù)乘法指令對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)證明，利用本文化算法對(duì)FFT_radix2進(jìn)行優(yōu)化后與優(yōu)化前在BWDSP上執(zhí)行的性能結(jié)果對(duì)比，優(yōu)化后大約可以獲得10%到13%的性能提升。因?yàn)镕FT中有大量復(fù)數(shù)乘法，所以復(fù)數(shù)乘法指令優(yōu)化算法可以顯著提高FFT_radix2的執(zhí)行效率。這充分說(shuō)明本文算法可以顯著提升復(fù)數(shù)乘法程序的執(zhí)行性能，從而提高在BWDSP處理器上對(duì)相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用程序時(shí)的處理能力。

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