語(yǔ)音編解碼算法G．723．1在DSP上的優(yōu)化

1 引言

G.723.1是刪組織于1996年推出的一種低碼率的語(yǔ)音編碼算法標(biāo)準(zhǔn)，也是目前該組織頒布的語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)中碼率最低的一種標(biāo)準(zhǔn)。G.723.1主要用于對(duì)語(yǔ)音及其它多媒體聲音信號(hào)的壓縮，目前在一些數(shù)字音視頻傳輸、高質(zhì)量語(yǔ)音壓縮等系統(tǒng)中都得到廣泛應(yīng)用。

2 G.723.1算法的復(fù)雜度分析

將G.723.1移植到TMS320C64xx后，就可借助TI集成開(kāi)發(fā)工具CCS(Code Composer Studio)的Profile功能來(lái)評(píng)估其各個(gè)子程序或函數(shù)的執(zhí)行運(yùn)算量，從而把程序的優(yōu)化集中在對(duì)程序性能影響最大的代碼上去。

通過(guò)分析可以看出，在G.723.1的編解碼算法中，碼本搜索所花費(fèi)的運(yùn)算量是比較大的，如Find_Best()，F(xiàn)ind_Fcbk()，F(xiàn)ind_Acbk()：另外，在LPC分析和LSP參數(shù)的計(jì)算上也有運(yùn)算量比較大的，如Comp_Lpc()，Lsp_Qnt()，Lsp_Svq()。

3 代碼的優(yōu)化

代碼優(yōu)化的工作有兩大目的：一是執(zhí)行速度提高，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)；二是盡量不擴(kuò)大程序體積(Code Size)，使之在內(nèi)存允許的范圍內(nèi)。顯然，兩者存在一定的矛盾，當(dāng)今超大規(guī)模集成電路的發(fā)展使RAM資源不再是系統(tǒng)的瓶頸，因此該部分工作的主要任務(wù)是怎樣提高執(zhí)行速度。代碼的優(yōu)化工作主要在CCS環(huán)境中進(jìn)行。優(yōu)化的原則是要充分考慮C64xx處理器超長(zhǎng)指令字、多個(gè)運(yùn)算單元和深度流水線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及避免過(guò)多的讀寫內(nèi)存指令和程序轉(zhuǎn)移指令，充分發(fā)揮其強(qiáng)大的運(yùn)算能力。具體方法包括(次序有先后)：

3．1基本運(yùn)算集的優(yōu)化

G.723.1算法程序是用定點(diǎn)運(yùn)算完成浮點(diǎn)運(yùn)算，為了防止定點(diǎn)運(yùn)算時(shí)可能溢出，許多運(yùn)算需要進(jìn)行飽和判斷，為此程序?qū)ｉT定義了基本運(yùn)算集，實(shí)現(xiàn)諸如飽和加法、飽和乘法、除法和移位等操作。在程序中這些操作調(diào)用相當(dāng)頻繁，經(jīng)CCS的profile工具測(cè)試，基本運(yùn)算函數(shù)集的調(diào)用占用了95％以上的CPU時(shí)間。因此，我們要從基本運(yùn)算集的優(yōu)化開(kāi)始。在熟悉掌握C64xx指令集的前提下，分析基本運(yùn)算集中各個(gè)函數(shù)完成的悉掌握C64xx指令集的前提下，分析基本運(yùn)算集中各個(gè)函數(shù)完成的功能和對(duì)全局變量產(chǎn)生的影響，用C64xx指令取而代之或加以改編。其中包括對(duì)跳轉(zhuǎn)和流水線的優(yōu)化討論、對(duì)乘積的飽和調(diào)整和全局變量OveRFlow的相關(guān)操作。

由于基本運(yùn)算集以函數(shù)形式存在，兩次跳轉(zhuǎn)f函數(shù)的調(diào)用與返回1必不可少，將引起流水線的兩次打斷，表現(xiàn)為12個(gè)指令周期的占用。將這嶁基本運(yùn)算函數(shù)集改成宏的形式，即將基本運(yùn)算內(nèi)嵌(inline)至lJ調(diào)用程序中，由此町以消除跳轉(zhuǎn)和流水線打斷帶來(lái)的指令周期占用，提高執(zhí)行速度。雖然這樣做增加了代碼長(zhǎng)度，多占用了一些內(nèi)存，但由于基本運(yùn)算函數(shù)體積均較小，再經(jīng)過(guò)一定的代碼優(yōu)化，在程序體積上的犧牲幾乎町以忽略。

基本運(yùn)算的函數(shù)定義在BASIC．C文件里面，如果能夠?qū)@些簡(jiǎn)單甬?dāng)?shù)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)指令(intrinsic)的優(yōu)化，就能達(dá)到事半功倍的效果。內(nèi)聯(lián)指令是匯編指令的直接映射，具有很高的效率。與此同時(shí)帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是溢出保護(hù)位Overflow的判斷，這是基本函數(shù)里用來(lái)標(biāo)識(shí)溢出的全局變量，它的作用等同于CSR(Control Status Register)寄存器的SAT(Saturation)位，當(dāng)數(shù)據(jù)溢出時(shí)，SAT位被系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置為1，所以編解碼函數(shù)里對(duì)Overflow的判斷可以轉(zhuǎn)化成對(duì)SAT位的判斷。引用CSR寄存器時(shí)需要在最開(kāi)始的時(shí)候聲明extem cregister volatile ansigned int CSR。

C64xx指令提供了飽和乘法指令SMPY，實(shí)現(xiàn)16"16位的乘法與飽和結(jié)果調(diào)整，其執(zhí)行操作如下：

if(cond){

if((src 1*src2<<1)!=0x80000000)

dst=((src 1*src2)<<1)；

else

dst=0x7ffffff；

}

else

nop；

將原指令中的乘法指令改為SMPY．就可以完成乘法和飽和調(diào)整兩種計(jì)算，這樣可以省去飽和調(diào)整3條指令。與此類似，其它的飽和運(yùn)算，C64xx都提供了相應(yīng)的指令實(shí)現(xiàn)，將普通運(yùn)算指令替換為飽和運(yùn)算指令，飽和結(jié)果調(diào)整部分的運(yùn)算均可以省去。

3．2主程序的優(yōu)化

主程序的優(yōu)化手段主要采用了以下幾種方法：

(1)使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)(intrinsics)

內(nèi)聯(lián)函數(shù)是可直接映射為C64xx指令的特殊函數(shù)，它在指令前加上"_”表示。例如：

#define L_add(L_var1，L_var2)? _sadd(L_var1，L_var2)

#define L_mult(var1，vat2)? _smpy(var1，var2)

等，基本函數(shù)的內(nèi)聯(lián)優(yōu)化需要對(duì)原函數(shù)的定義和內(nèi)聯(lián)指令都比較熟悉。

使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)代替相應(yīng)的C語(yǔ)句是一種非常簡(jiǎn)便高效的優(yōu)化方法。如上面提到的飽和乘法，在C語(yǔ)句中。我們通常要使用兩個(gè)嵌套的條件判斷語(yǔ)句來(lái)檢查結(jié)果是否溢出，而指令int_smpy(int a．int b) 則在完成乘b的運(yùn)算后，再做一次飽和處理，這樣一條DSP指令就可完成C語(yǔ)言中多條語(yǔ)句才能完成的計(jì)算，可以節(jié)省很多時(shí)鐘周期。

(2)循環(huán)展開(kāi)(loop—unrolling)

程序中的有很多的雙重循環(huán)和多暈循環(huán)(比如代數(shù)碼本搜索計(jì)算)，由于C64xx優(yōu)化器在優(yōu)化時(shí)只在最內(nèi)層循環(huán)中形成一個(gè)指令流水(最多可以達(dá)到8級(jí)流水)，這樣循環(huán)語(yǔ)句就不能充分利用軟件流水線，而且對(duì)于內(nèi)部循環(huán)次數(shù)較少的情況，消耗在prolog和eplog上的時(shí)鐘周期也不可忽視。針對(duì)這種情況，一個(gè)有效的辦法就是將雙重或多重循環(huán)展開(kāi)，降低循環(huán)次數(shù)。這樣雖然代碼長(zhǎng)度增加了，但有更多的運(yùn)算能夠參加到pipeline中。由于減少了流水線排空和提高了功能單元的利用率，程序執(zhí)行速度會(huì)大大提高。

(3)減少分支和調(diào)用指令，減少判斷指令

程序中的分支、調(diào)用以及判斷指令會(huì)引起程序的跳轉(zhuǎn)，而每個(gè)跳轉(zhuǎn)指令都有5個(gè)延遲間隙。因此延長(zhǎng)了程序執(zhí)行時(shí)間；另外，循環(huán)內(nèi)跳轉(zhuǎn)也會(huì)使軟件流水受到阻塞，降低了代碼執(zhí)行效率。優(yōu)化中，可以使用內(nèi)嵌、合并判斷語(yǔ)句來(lái)減少判斷次數(shù)或用邏輯指令替代判斷的方法盡可能的消除中斷流水線指令帶來(lái)的影響。

(4)使用字或雙字存取和計(jì)算

C64xx系列DSP是32位CPU，當(dāng)16位數(shù)據(jù)在內(nèi)存中連續(xù)存放時(shí)，可利用uint_amem4(void*ptr)或double & _amemd8 (void*ptr)指令進(jìn)行字或雙字?jǐn)?shù)據(jù)的讀取或存貯。這樣每次可同時(shí)存取2個(gè)或4個(gè)16位數(shù)據(jù)，由于從內(nèi)存執(zhí)行取數(shù)操作需要4個(gè)delay，所以減少存取次數(shù)可以節(jié)省大量的時(shí)鐘同期；同時(shí)，可利用C64xx指令集中特有的打包指令_pack2(unsigned a，unsigned b)，_packh2(unsigned a，unsigned b)等將兩個(gè)16位數(shù)打包成一個(gè)32位數(shù)，在進(jìn)行乘、加計(jì)算時(shí)則利用_add 2(int a，int b)、_mpy2(int a，int b)同時(shí)完成兩組16位數(shù)的加法和乘法，效率比單純16位數(shù)的加法和乘法提高一倍。

3．3匯編編程的優(yōu)化

線性匯編是TI提供的一種匯編語(yǔ)言，其指令系統(tǒng)和匯編語(yǔ)言的指令系統(tǒng)完全相同，但在編寫時(shí)不需要指定寄存器和操作單元，也不需要考慮延時(shí)的問(wèn)題，因此編寫線性匯編相對(duì)要容易一些。

經(jīng)過(guò)以上的優(yōu)化后，音頻編碼程序在DM642上的運(yùn)行狀況有了很大改善，但是經(jīng)測(cè)試仍然沒(méi)有到達(dá)可以接收的程度，而高級(jí)語(yǔ)言的效率幾乎發(fā)揮到了極致，所以在具體分析耗時(shí)大的模塊特點(diǎn)后，采用線性匯編語(yǔ)言重新編寫C代碼的低效率段程序，迸一步提高程序的執(zhí)行效率。

在編寫線性匯編優(yōu)化代碼的過(guò)程中，為了提高代碼執(zhí)行效率，我們需要遵循以下原則：

(1)寫并行代碼：通過(guò)使用匯編指令并行執(zhí)行的方法減少循環(huán)內(nèi)的執(zhí)行周期數(shù)，優(yōu)化線性匯編代碼。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是弄清指令相關(guān)性，只有不相關(guān)的指令才能并行執(zhí)行。辨別指令是否相關(guān)．可以使用相關(guān)圖。

(2)處理跳轉(zhuǎn)指令和轉(zhuǎn)移指令：匯編程序的一大特點(diǎn)就是頻繁地跳轉(zhuǎn)，當(dāng)滿足不同的條件時(shí)，要求程序進(jìn)行不同的操作，或跳到相應(yīng)的位置。對(duì)于“大于”、“大于等于”、“小于”、“小于等于”等較為接近的邏輯判斷和處理，應(yīng)慎重對(duì)待，否則將產(chǎn)生邏輯性錯(cuò)誤，并且很難調(diào)試。當(dāng)發(fā)生溢出需進(jìn)行相應(yīng)處理時(shí)，這種現(xiàn)象尤為突出。

(3)盡量減少循環(huán)體內(nèi)的指令數(shù)[7]：G.72.1的算法實(shí)現(xiàn)，有許多是在循環(huán)內(nèi)部完成的，有些地方如同定碼本搜索過(guò)程中，為了確定四個(gè)非0脈沖的位置和幅度，還用到了多重循環(huán)。在循環(huán)內(nèi)部，特別是在嵌套較深的循環(huán)內(nèi)部，減少一條指令可以大大降低程序的操作次數(shù)。例如。對(duì)于一個(gè)每重循環(huán)8次的四重嵌套循環(huán)，在最內(nèi)層循環(huán)每減少一條指令，整個(gè)程序可以少執(zhí)行84=4096語(yǔ)句。因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)，能夠放在循環(huán)體外執(zhí)行的語(yǔ)句．盡量放在循環(huán)體外執(zhí)行。

(4)展開(kāi)程序體：盡在一定條件下，盡量展開(kāi)程序，以減少子程序的調(diào)用和返回次數(shù)，犧牲空問(wèn)換取時(shí)間。

經(jīng)匯編優(yōu)化器優(yōu)化后，代碼效率比C語(yǔ)言直接編譯有明顯提高。

4 優(yōu)化工作的創(chuàng)新點(diǎn)

在對(duì)G.723.1的優(yōu)化中．本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)DSP C64xx系列芯片提}n了一些有價(jià)值的新方法。這些創(chuàng)新點(diǎn)在不同程度上提高了代碼的優(yōu)化速度和執(zhí)行效率，在語(yǔ)音編解碼的DSP實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)中起到了關(guān)鍵性作用。下面，本文將以舉例的方式闡明一些經(jīng)典的方法。

(1)編寫連接命令文件．cmd

明確了系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)映射地址后，編寫連接器命令文件將部分調(diào)用次數(shù)較多的函數(shù)、堆棧段、數(shù)據(jù)段放入內(nèi)存：cmd文件內(nèi)容如下：

一L＼evmdm642_echocfg．cmd //連接CCS提供的連接命令文件

SECTIONS

{

．tahles>SDRAM

．cinit>ISRAM?? //將變量初值表放入內(nèi)存

. far >SDRAM

．const>ISRAM //將常數(shù)段放入內(nèi)存

．pinit>SDRAM

. tin >SDRAM

．text>SDRAM

．test >ISRAM

}

一levmdm642bsl．lib　//連接庫(kù)文件

一levmdm642_edma_aic23．164??? //連接驅(qū)動(dòng)程序的庫(kù)文件

一lc6xlx_edma_mcasp．J64?? //連接串口McASP的庫(kù)文件

其中.test是筆者在C程序內(nèi)用#pragma CODE_SECTION或DATA_SECTION自定義的段。

(2)高速緩沖寄存器Cache的使用

Cache即高速緩存，是位于CPU和片內(nèi)存儲(chǔ)器之間的規(guī)模小速度快的存儲(chǔ)器。Cache的工作原理是保存CPU中最常用的數(shù)據(jù)。當(dāng)Cache中保存著CPU要讀寫的數(shù)據(jù)時(shí)，CPU直接訪問(wèn)Cache。由于Cache的速度與CPU相當(dāng)，CPU能在零等待狀態(tài)下迅速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取。只有在Cache中不舍有CPU所需的數(shù)據(jù)時(shí)CPU才去訪問(wèn)片內(nèi)存儲(chǔ)器。因此Cache的有效利用對(duì)整個(gè)程序速度的提高有著舉足輕重的作用。在主函數(shù)中加入以下代碼，使Cache使能：

CACHE_clean? (CACHE_L2ALL,0,0};? //清除Cache內(nèi)原有內(nèi)容

CACHE_setL2Mode? (CACHE_64KCACHE)；? //設(shè)置Cache的大小為64K

CACHE_enableCaching? (CACHE_EMIFA_CE00)；? //Cache使能

添加以上代瑪后，測(cè)試速度由原來(lái)的20幀/s提高到了400幀／s。提高了將近20倍。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳緇分紹了G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的DSP代碼優(yōu)化工作，重點(diǎn)描述了代碼優(yōu)化的方法和本課題的創(chuàng)新點(diǎn)．對(duì)于算法中的一些函數(shù)提出了獨(dú)創(chuàng)性改寫方法。基于線性匯編的優(yōu)化以及Cache的有效利用使本課題的工作取得了顯著成果，在沒(méi)有降低音質(zhì)的情況下，實(shí)現(xiàn)了DSP的語(yǔ)音實(shí)時(shí)編解碼。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在對(duì)G.723.1的優(yōu)化中，針對(duì)TMS320DM 642 DSP系列芯片提出了一些有價(jià)值的新方法。例如：編寫連接命令文件．cmd和高速緩沖寄存器Cache的使用。這些創(chuàng)新點(diǎn)在不同程度上提高了代碼的優(yōu)化速度和執(zhí)行效率，在語(yǔ)音編解碼的DSP實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)中起到了關(guān)鍵性作用。