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xScale應(yīng)用程序性能的優(yōu)化策略

發(fā)布時(shí)間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數(shù):926

    摘要:XScale是一款具有高性能、低功耗特性的ARM兼容嵌入式微處理器架構(gòu)。XScale引入了多種硬件特性提高其處理能力,但也給應(yīng)用程序的優(yōu)化帶來了困難。本文介紹XScale體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),從開發(fā)工具選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程開發(fā)等多個(gè)角度討論對XScale應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化的策略和技術(shù)。

     關(guān)鍵詞:XScale 編譯優(yōu)化 優(yōu)化策略ARM

引言

XScale體系結(jié)構(gòu)是采用Intel Pentium技術(shù)實(shí)現(xiàn)的ARM兼容的嵌入式微處理器架構(gòu),并對ARM體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了增強(qiáng),具有業(yè)界領(lǐng)先的高性能和低功耗特性被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、無線通信、多媒體和網(wǎng)絡(luò)交換等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。XScale引入了一系列高性能微處理器的設(shè)計(jì)技術(shù),總體性能顯著地超出同主頻的ARM微處理器。然而,由于受功耗、成本和體積等因素的制約,嵌入式微處理器的處理能力與桌面系統(tǒng)相比仍存在較大差距。通常需要對嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行性能優(yōu)化,以滿足嵌入式應(yīng)用的性能需求。

業(yè)界對嵌入式系統(tǒng)的性能優(yōu)化進(jìn)行了很多研究與實(shí)踐。文獻(xiàn)為XScale優(yōu)化編譯器的設(shè)計(jì)提供了多種優(yōu)化技術(shù),也可用于一些應(yīng)用程序的手工優(yōu)化;文獻(xiàn)從應(yīng)用程序編程的角度討論了ARM嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù);文獻(xiàn)討論了提高C/C++嵌入式應(yīng)用程序性能的一些技巧,其中多數(shù)技術(shù)可以由優(yōu)化編譯器中實(shí)現(xiàn)。

本文在總結(jié)XScale優(yōu)化編譯器設(shè)計(jì)和XScale嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)工具選擇、編譯優(yōu)化和編程開發(fā)等角度討論和提出了XScale應(yīng)用程序的優(yōu)化策略和技術(shù)。

1 XScale體系結(jié)構(gòu)

XScale微架構(gòu)引入了Pentium處理器工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了Pentium微處理器體系結(jié)構(gòu)的一系列高性能技術(shù),達(dá)到了高性能、低功耗和小體積等嵌入式系統(tǒng)要求的特性。

(1)超流水線

Xscale的超流水線(SuperPipeline)技術(shù),如圖1所示,由整數(shù)處理(integer)、乘加(MAC)和存儲(chǔ)(memory)3條流水線組成。3條流水線的長度是6到9段,前4到5段共享,后面分支部分并行工作可有效提高處理器性能。

(2)高主頻

采用Pentium工藝技術(shù),XScale主頻可以超出普通ARM微處理器主頻數(shù)倍,在保持較低能量消耗的前提下,高達(dá)600MHz以上。如PXA27X的主頻可高達(dá)724MHz。

(3)存儲(chǔ)體系

XScale實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),為其超流水線的高效運(yùn)行提供數(shù)據(jù)資源。XScale存儲(chǔ)體系功能主要包括32KB D-Cache、32KB I-Cache、2KB Mini Dcache、Fill Buffers、ending Buffers以及4.8GB/s帶寬的存儲(chǔ)總線,使處理器可以高效訪問存儲(chǔ)器。

(4)分支預(yù)測

XScale實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)計(jì)分析的分支預(yù)測功能部件,減少由于分支轉(zhuǎn)移沖刷指令流水線的次數(shù),也有效地提高了處理器的性能。

(3)指令集體系結(jié)構(gòu)

針對ARM數(shù)據(jù)處理能力的不足,XScale對ARM的乘加邏輯進(jìn)行了增強(qiáng),增加了8條DSP指令。XScale處理器還可集成Flash閃存和無線MMX邏輯功能。這些特性有效地提高了XScale數(shù)據(jù)處理能力。帶有無線MMX的PXA27X在312MHz主頻運(yùn)行處理多媒體應(yīng)用時(shí),其性能與520MHz ARM處理器相當(dāng)。

(6)省去不常用的邏輯功能

為了節(jié)省處理器芯片體積和降低運(yùn)行功耗,XScale體系結(jié)構(gòu)沒有實(shí)現(xiàn)昂貴的浮點(diǎn)運(yùn)算部件和除法部件。這些是嵌入式應(yīng)用中不常用的運(yùn)算。當(dāng)需要這類運(yùn)算時(shí),可以通過軟件方法實(shí)現(xiàn)。

XScale復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)給嵌入式應(yīng)用程序的優(yōu)化帶來了更大的困難。

2 性能優(yōu)化技術(shù)

XScale處理器性能的發(fā)揮很大程度上依賴于應(yīng)用程序的優(yōu)化技術(shù)。XScale嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能優(yōu)化可以下幾個(gè)方面考慮。

2.1 算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用功能通?刹捎枚喾N算法或方法,不同算法的復(fù)雜度和效率差別很大。選擇一種高效的算法或?qū)λ惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化,可以使應(yīng)用程序獲得最大的優(yōu)化性能。常用的優(yōu)化技術(shù)有以下幾種。

(1)選擇高效算法

如果算法效率低下,再快的處理器也會(huì)顯得不夠

    摘要:XScale是一款具有高性能、低功耗特性的ARM兼容嵌入式微處理器架構(gòu)。XScale引入了多種硬件特性提高其處理能力,但也給應(yīng)用程序的優(yōu)化帶來了困難。本文介紹XScale體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),從開發(fā)工具選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程開發(fā)等多個(gè)角度討論對XScale應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化的策略和技術(shù)。

     關(guān)鍵詞:XScale 編譯優(yōu)化 優(yōu)化策略ARM

引言

XScale體系結(jié)構(gòu)是采用Intel Pentium技術(shù)實(shí)現(xiàn)的ARM兼容的嵌入式微處理器架構(gòu),并對ARM體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了增強(qiáng),具有業(yè)界領(lǐng)先的高性能和低功耗特性被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、無線通信、多媒體和網(wǎng)絡(luò)交換等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。XScale引入了一系列高性能微處理器的設(shè)計(jì)技術(shù),總體性能顯著地超出同主頻的ARM微處理器。然而,由于受功耗、成本和體積等因素的制約,嵌入式微處理器的處理能力與桌面系統(tǒng)相比仍存在較大差距。通常需要對嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行性能優(yōu)化,以滿足嵌入式應(yīng)用的性能需求。

業(yè)界對嵌入式系統(tǒng)的性能優(yōu)化進(jìn)行了很多研究與實(shí)踐。文獻(xiàn)為XScale優(yōu)化編譯器的設(shè)計(jì)提供了多種優(yōu)化技術(shù),也可用于一些應(yīng)用程序的手工優(yōu)化;文獻(xiàn)從應(yīng)用程序編程的角度討論了ARM嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù);文獻(xiàn)討論了提高C/C++嵌入式應(yīng)用程序性能的一些技巧,其中多數(shù)技術(shù)可以由優(yōu)化編譯器中實(shí)現(xiàn)。

本文在總結(jié)XScale優(yōu)化編譯器設(shè)計(jì)和XScale嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)工具選擇、編譯優(yōu)化和編程開發(fā)等角度討論和提出了XScale應(yīng)用程序的優(yōu)化策略和技術(shù)。

1 XScale體系結(jié)構(gòu)

XScale微架構(gòu)引入了Pentium處理器工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了Pentium微處理器體系結(jié)構(gòu)的一系列高性能技術(shù),達(dá)到了高性能、低功耗和小體積等嵌入式系統(tǒng)要求的特性。

(1)超流水線

Xscale的超流水線(SuperPipeline)技術(shù),如圖1所示,由整數(shù)處理(integer)、乘加(MAC)和存儲(chǔ)(memory)3條流水線組成。3條流水線的長度是6到9段,前4到5段共享,后面分支部分并行工作可有效提高處理器性能。

(2)高主頻

采用Pentium工藝技術(shù),XScale主頻可以超出普通ARM微處理器主頻數(shù)倍,在保持較低能量消耗的前提下,高達(dá)600MHz以上。如A27X的主頻可高達(dá)724MHz。

(3)存儲(chǔ)體系

XScale實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),為其超流水線的高效運(yùn)行提供數(shù)據(jù)資源。XScale存儲(chǔ)體系功能主要包括32KB D-Cache、32KB I-Cache、2KB Mini Dcache、Fill Buffers、ending Buffers以及4.8GB/s帶寬的存儲(chǔ)總線,使處理器可以高效訪問存儲(chǔ)器。

(4)分支預(yù)測

XScale實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)計(jì)分析的分支預(yù)測功能部件,減少由于分支轉(zhuǎn)移沖刷指令流水線的次數(shù),也有效地提高了處理器的性能。

(3)指令集體系結(jié)構(gòu)

針對ARM數(shù)據(jù)處理能力的不足,XScale對ARM的乘加邏輯進(jìn)行了增強(qiáng),增加了8條DSP指令。XScale處理器還可集成Flash閃存和無線MMX邏輯功能。這些特性有效地提高了XScale數(shù)據(jù)處理能力。帶有無線MMX的A27X在312MHz主頻運(yùn)行處理多媒體應(yīng)用時(shí),其性能與520MHz ARM處理器相當(dāng)。

(6)省去不常用的邏輯功能

為了節(jié)省處理器芯片體積和降低運(yùn)行功耗,XScale體系結(jié)構(gòu)沒有實(shí)現(xiàn)昂貴的浮點(diǎn)運(yùn)算部件和除法部件。這些是嵌入式應(yīng)用中不常用的運(yùn)算。當(dāng)需要這類運(yùn)算時(shí),可以通過軟件方法實(shí)現(xiàn)。

XScale復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)給嵌入式應(yīng)用程序的優(yōu)化帶來了更大的困難。

2 性能優(yōu)化技術(shù)

XScale處理器性能的發(fā)揮很大程度上依賴于應(yīng)用程序的優(yōu)化技術(shù)。XScale嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能優(yōu)化可以下幾個(gè)方面考慮。

2.1 算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用功能通?刹捎枚喾N算法或方法,不同算法的復(fù)雜度和效率差別很大。選擇一種高效的算法或?qū)λ惴ㄟM(jìn)行優(yōu)化,可以使應(yīng)用程序獲得最大的優(yōu)化性能。常用的優(yōu)化技術(shù)有以下幾種。

(1)選擇高效算法

如果算法效率低下,再快的處理器也會(huì)顯得不夠

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