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日志

 
 

浅谈如何学习DSP软件开发  

2012-08-24 10:58:08|  分类: 专业 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       毕业至今,一直在做DSP开发,将稍许经验记录下来,分享一下。

  一、弄清DSP相关资源的来源及熟读手册

  一般主要来源于DSP芯片厂商的官方网站,虽然现在的DSP芯片厂商都提供了中文的官方网站浏览,但我建议还是上英文的网站,其一,有些资源在中文网站上没有(关于这点,我个人认为可能是中文这边的资源未及时上传),其二,一般资料很少有中文版,中文和英文版网站上下载的其实是同一个版本;再就是,要熟悉DSP芯片厂商的官方网站,开发时充分利用官方提供的资源及支持能大大地提高开发效率;最后要注意的是,一般DSP芯片厂商会开放一个技术交流论坛,里面的管理员一般都是DSP芯片厂商的开发工程师,可以以发贴的形式获取他们的技术支持。

  还有一处资源的来源,就是跟DSP芯片厂商有合作的第三方公司(国内),这类公司跟DSP芯片厂商有很好的接触,一般相关的DSP芯片,他们都会先行做成教育开发板,这点当然主要用于教学,所以他们会有相关的中文资料及相应的demo程序,根据这点,可以很好的借鉴他们的经验及参考他们的资料及程序,其次,他们还会出售自制的仿真器,价格比原厂的会便宜,功能上肯定没有原厂出售的仿真器全面,但足以应对基本的项目开发。

  第三处仅供参照,占据国内市场最大的两家DSP厂商TI和ADI在中国都开设的相应级别的DSP培训课程,但费用昂贵,一般都是公司派遣前去学习。

  资源主要包含:

    Datasheet(数据手册,主要大体介绍一下DSP芯片的功能,内部结构及外设,软件及硬件一些简单介绍,主要作用是可以很快速的了解这款DSP)

    Software Tool Manuals(这个手册主要介绍的DSP时钟、存储器、电源管理等等及所有外设的使用及注意事项,其实就是寄存器的配置,完全可以称之为DSP使用手册)

    Hardware Tool Manuals(这个手册主要是官方提供的原理图PCB的绘制)

    Program Manuals(这个手册主要介绍编译器及内置C库的使用,汇编指令的使用及汇编语法的介绍,官方提供的仿真软件的使用)

     Engineer to Engineer Note(工程师笔记,这个其实就是DSP芯片自己的工程师在开发这款DSP时所写的笔记,如果你有某个地方未明白,看相应的工程师笔记是最合适的)

    Program Examples(主要是针对DSP不同的外设,官方提供的程序例子,包含C及汇编)

  二、官方仿真软件及仿真器的使用(如不使用,可暂时跳过,因为有些DSP可基于开源的操作系统进行开发,例如uClinux)

  使用仿真软件的方法其实很简单,一般这种软件都设计成类似VC这种,你逐个去试每个菜单下的选项,此时你如配合Examples去使用,更能加深理解,不过我建议,做DSP软件开发,先简单看一下Datasheet、Software Tool Manuals和Program Manuals这三个文档再开始熟悉仿真软件的使用,当然在你熟悉时,肯定需要去不停的再去看这些文档的。仿真器的使用并没有什么需要注意的,一般的仿真器都做了仿呆处理,所以不会插反,仿真器一般都是配合仿真软件使用。(有一点要提醒的是一般DSP开发是基于C语言,如果不会C语言,请先学习C语言)

  三、DSP最小系统的配置

  这部分就正式开始使用DSP了,最小系统主要指DSP的时钟及存储器系统,这时你需要对照着Software Tool Manualsh去仔细看里面的介绍及相关寄存器的配置,结合Examples及Engineer to Engineer Note,如果程序写完后,测试时钟其实很简单,用示波器直接去测量,看测量出来的时钟是否是你配置的那个数,紧接着就是测试存储器,这个测试必须写一段简单的小程序,其实主要就是测试数据总线是否能正常工作,如果在配置最小系统时出现问题,一般问题有二,一是寄存器未正确配置,解决方法是结合Examples及Engineer to Engineer Note仔细看手册,看例程,二是可能开发板上的硬件线路出了问题,解决方法是结合原理图,看线路上是否存在短路的问题,DSP工作电压是否正常等,这步可和硬件工程师一起去查。

  四、DSP外设的使用

  其实这部分和配置最小系统一样,只不过某些外设上可能连接了其它的芯片,不同的功能连接的芯片不一样,此时你需要去看这些芯片的资料,然后开始编写代码,然后再测试,测试方法根据不同的功能也会不同,不过DSP开发最常用的就是使用示波器,如有音视频方面的,可借助摄像头,显示屏等等之类的;如中间开发遇到问题,方法还是一样,结合Examples及Engineer to Engineer Note仔细看手册,看例程,有一点要注意,千万不能怀疑不能实现,要对自己有信心。

  五、DSP优化

  其实到这一步,你已经完全可以使用DSP了,接下来,你需要加深熟悉DSP的整个内部结构,主要包含有几个多少位的MAC,有几个多少位的ALU,有几个多少位的数据寄存器等等,还有外部数据总线上连接了哪些外设,内部数据总线是怎么连接的,并且这些数据总线是多少位,这些在Datasheet会有一张很清楚的DSP结构图,还有DSP的整个Memory Map是怎样的,片上有多少Data Memory,有多少Program Memory等等,了解这些其实就是让你知道DSP的运算性能到底可以达到多少,哪些外设会通过外部数据总线传输数据,DSP内部的寄存器是怎么传输数据的,通过这些可以帮助你解决你在开发中遇到的问题,不过最主要的是帮助你对已经编写完成的代码进行优化,我个人认为的优化方法有以下几种:

  1、一般编写代码首先是用C,基于C层面优化的方法,我如下举例说几种:

    (1)优化循环

    for(i = 0;i < max;i ++)

     {

        for(j = 0; j < max; j ++)

        {

            float sum = 0.0;

            for(k = 0; k < max; k ++)

            {

                sum += input[i * max + k] * input[j * max + k];

            }

            cover[i * max + j] = sum / max;

        }

    }

    实例,如input[16] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16},得出的cover如下:

     7    17   27   37
     17  43   69   95
     27  69  111  153
     37  95  153  211

    原理:只需要得到左上角或右上角即可,然后半个矩阵赋值给另半个矩阵即可得到整个矩阵。

    算法优化后:

    for(i = 0; i < max; i ++)

    {

        for(j = i; j < max; j ++)                  // 减少一半循环

        {

            float sum = 0.0;

            for(k = 0; k < max; k ++)

            {

                sum += input[i * max + k] * input[j * max + k];

            }

            cover[i * max + j] = sum / max;

            if(i != j)                    // 可加可不加,消除中线上的重复赋值

            {

                cover[j *max + i] = sum / max;       // 赋值给另半个矩阵

            }

        }

    }

    (2)条件跳转(使用条件跳转会在流水线中浪费更多的周期)

    k = k -1;

    if(k < -1)

    {

        k = -1;

    }

    原理:C语言中的max函数在编译的过程中实际上实现的是DSP中的MAX指令。

    优化后:

    k = max(k-1, -1);

    转换成汇编后:

    R0 += -1;    // R0 == k;

    R1 = -1;

    R0 = MAX(R0, R1);

    (3)for循环中的条件跳转

    for

    {

        if{...}else{...}

    }

    原理:减少频繁的条件跳转,当然并不是所有的情况都可以这样做。

    优化后:

    if

    {

        for{...}

    }

    else

    {

        for{...}

    }

    (4)使用断言指令来避免条件跳转

    if(A)

    {

        X = exp1;

     }

    else

    {

        X = exp2;

    }    

    原理:使用断言指令IF(CC) REG = REG,只会消耗一个周期。

    优化后:

    X = exp1;

    if(!A)

    {

        X = exp2;

    }

    (5)除法(取模)操作

    一般DSP中不支持除法,除法操作是通过仿真的方式来进行实现,有两种,分为低精度和高精度,但都需要相大多的周期。

    除数为2的N次方时可采用右移法。

    如为提高性能,可采取查表的方式,这样会损失精度。

    隐藏的除法:

        for(i = start; i < finish; i += step)

        此时编译器会looper = (finish - start) / step 得到次数。

    巧妙利用不等式法则:(不过做乘法时可能会产生溢出,要小心使用)

        if(x / y > a / b)

        可转换为:

        if(x * b  > a * y)

    (6)数据类型

    对于定点DSP而言,对于浮点的操作是用仿真的方式实现的,会消耗很多周期,所以在定点DSP上对于浮点数一般是做定点化的处理,常用的方法我举一个例子:2.5 * a,其实可以转换成80 * a >> 5,不过在定点化时需要注意防溢出。

    对于64位数据,也是用仿真的方式实现的,会消耗很多周期。(一般最大仅支持32位数据)

    做数字信号处理操作时,如FFT,16bit的操作是比较合适的。

    要做控制类,条件跳转时,32bit的操作是比较合适的。

    如你的DSP的MAC是16位的,做乘法时,尽量定义成16bit数据。

    (7)Memory分配

    将运算比较频繁的数据和程序段放入片内Memory,开启cache。

    如DSP能对SDRAM的不同4个bank可以同时访问,此时你可以将需要同时运算的数据放入不同的bank

    (8)开启仿真软件的编译优化选项

    在菜单相应的地方勾上即可,但值得注意时,开启自动编译优化选项后,可能会使执行的结果发生变化,所以需要测试对比一下未开编译优化选项之前的执行结果,一般来说,这个很方便,比较常用。

    以上8种是我常用到的优化方法,当然基于C层面算法类的优化还有很多种,这个需要慢慢积累,总结一下,一般来说先对C层面进行结构上的优化(上面的1-6均属于),然后进行Memory分配,开启仿真软件的编译优化选项,将运算频繁的程序段用汇编实现,当然如果性能满足要求,就没必要利用汇编了。

  六、总结

  我认为学习DSP软件开发没有什么捷径,我花了大量的文字在“弄清DSP相关资源的来源及熟读手册”上,实际上是想说,懂得获取资源是很关键的,只有熟悉手册才能完全去使用你所要开发的DSP芯片,其次DSP的主要特点就是高性能,能做一些算法类的运算,所以DSP的优化是相当重要的,关于算法优化的方法有很多种,基本可分为C结构上的优化及利用DSP的特点来进行优化,优化的学习是日易积累的,所以就要多看看相关的资料了。我在DSP最小系统的配置和DSP外设的使用上写得很简单,我觉得这两部分并不是什么难点,结合手册和例程便可以全部实现,并不存在什么技巧。

  快速入门的步骤如下:

  准备一开发板,简单熟悉一下手册及仿真软件,对照着例程看手册,然后再改例程,看是否能按你的意愿去实现,最小系统和每个外设都熟悉一边,恭喜你,你入门了,待续...

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