引言
　　公司基于超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的某款PowerPC芯片開發(fā)出了電力系列自動化裝置，它對實時性要求很高。但軟件的運行效率低，這就需要我們針對該芯片的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行軟件優(yōu)化。實踐中，在針對性優(yōu)化后進(jìn)行對比實驗，裝置軟件運行效率大大提高，實際效果良好。
　　1　超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)PowerPC芯片特點
　　1.1　超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)芯片
　　PowerPC芯片屬于超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)。超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)是一種微處理器設(shè)計模式，它能夠在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令。在超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，處理器或指令編譯器判斷指令能否獨立于其他順序指令而執(zhí)行，或是依賴于另一指令，必須按順序執(zhí)行。然后處理器使用多個執(zhí)行單元并行執(zhí)行兩個或更多獨立指令。
　　1.2　PowerPC芯片特點
　　1.2.1　流水線機(jī)制
　　該芯片一條指令，可簡單分為取指、譯碼、執(zhí)行，提交4個時鐘周期操作。同一周期，CPU的不同部件可并行執(zhí)行多條指令的不同操作，從而達(dá)到指令并行，提高CPU的吞吐率。
　　1.2.2　總線頻率
　　該芯片的主頻達(dá)到400 MHz，但訪問內(nèi)存的總線頻率是100 MHz，只有主頻的1/4。由此可見，當(dāng)訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)時，其運行時間比執(zhí)行計算程序慢多了。當(dāng)系統(tǒng)大量訪問內(nèi)存時，系統(tǒng)運行速度會明顯下降。
　　1.2.3　16 KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache
　　PowerPC芯片中指令Cache和數(shù)據(jù)Cache中訪問指令和數(shù)據(jù)的速度與主頻一樣。同樣，當(dāng)讀取指令和數(shù)據(jù)時在Cache中讀取的速度約是內(nèi)存中讀取速度的4倍。
　　（1） 指令Cache運作機(jī)制
　　每次指令運行時若指令未在指令Cache中，即指令Cache未命中，則一次從內(nèi)存中讀出待執(zhí)行的連續(xù)32字節(jié)（32字節(jié)相當(dāng)于8個浮點數(shù)）指令到指令Cache。同時將指令Cache中最久未訪問的代碼淘汰出Cache。32字節(jié)相當(dāng)于3~5條普通C語言代碼。
　　（2） 數(shù)據(jù)Cache運作機(jī)制
　　每次訪問數(shù)據(jù)時，若數(shù)據(jù)未在數(shù)據(jù)Cache中，即數(shù)據(jù)Cache未命中，則一次從內(nèi)存中讀出連續(xù)32字節(jié)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)Cache。同時將數(shù)據(jù)Cache中最久未訪問的數(shù)據(jù)淘汰出Cache。
　　2　從超標(biāo)量流水線機(jī)制的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　2.1　超標(biāo)量流水線機(jī)制對程序效率的分析
　　從前面的流水線機(jī)制可以看到，若指令能達(dá)到盡可能的并行，程序運行效率會明顯提高。這就需要優(yōu)化代碼，讓編譯器優(yōu)化成并行指令。
　　2.2　從提高指令并行和流水線不被打斷的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　要提高指令并行，主要就要提高代碼并行可能性。防止流水線不被打斷，就是要盡量避免跳轉(zhuǎn)。
　　2.2.1　循環(huán)體代碼并行執(zhí)行的優(yōu)化
　　代碼舉例1：
　　for（i=0;i《1000;i++） {
　　Y［i］=Y［i］+Y［i-1］;
　　}
　　該代碼循環(huán)體代碼之間因為存在相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致代碼無法被CPU并行執(zhí)行，需要避免類似代碼。
　　代碼舉例2：
　　for（i=0;i《1000;i++） {
　　Y［i］=X［i］+Z［i］;
　　}
　　該代碼循環(huán)體代碼之間不存在相關(guān)，能被CPU并行執(zhí)行。CPU執(zhí)行時代碼如下：
　　Y［0］=X［0］+Z［0］，
　　Y［1］=X［1］+Z［1］，
　　Y［2］=X［2］+Z［2］，
　　Y［3］=X［3］+Z［3］，
　　2.2.2　代碼順序執(zhí)行避免跳轉(zhuǎn)的優(yōu)化
　　跳轉(zhuǎn)的語句主要有if_else結(jié)構(gòu)、switch_case結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等。
　　if_else結(jié)構(gòu)可以將選擇概率最大的語句放到if語句之后。因為取指時，緊接著if語句的指令會被取到。這樣發(fā)生跳轉(zhuǎn)的次數(shù)降低，流水線被中斷的概率降低。
　　盡量降低循環(huán)嵌套層數(shù)和循環(huán)次數(shù)，這樣發(fā)生跳轉(zhuǎn)的次數(shù)也降低。
　　2.2.3　避免小段程序代碼循環(huán)的優(yōu)化
　　比如2~3句的小循環(huán)，可以適當(dāng)展開。
　　一是可以提高循環(huán)內(nèi)指令并行的可能性。
　　二是可以減少跳轉(zhuǎn)次數(shù)。
　　循環(huán)體代碼超過10句普通C語言代碼，可以不要展開。
　　3　從指令Cache的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　3.1　指令Cache對程序效率的分析
　　從前面分析可知，若程序取指環(huán)節(jié)能從指令Cache中讀取，而不是每次都從內(nèi)存中讀取，則能顯著提高程序執(zhí)行速度。
　　3.2　從提高指令Cache命中的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　① 盡量使程序順序執(zhí)行。
　　② 避免大量相似的代碼重復(fù)實現(xiàn)、分散調(diào)用。
　　③ 盡量將相同的代碼在一個地方循環(huán)執(zhí)行，提高指令Cache的命中率。不要分散執(zhí)行，導(dǎo)致多次讀取同一段代碼到指令Cache中。
　　3.2.1　多個相似函數(shù)的優(yōu)化
　　代碼舉例3：
　　{
　　FuncA;//3個相似函數(shù)連續(xù)調(diào)用
　　FuncB;
　　FuncC;
　　}
　　優(yōu)化為
　　for（i=0;i《3;i++） {
　　Func（i）;
　　}
　　這樣相同的代碼一次即可從內(nèi)存讀到Cache中，另外2次指令都是從Cache中讀取。
　　3.2.2　大函數(shù)拆分的優(yōu)化
　　由于函數(shù)體較大，超出了指令Cache的大小，導(dǎo)致第1次循環(huán)結(jié)束、第2次循環(huán)開始時，函數(shù)體前面內(nèi)容已經(jīng)被調(diào)出Cache。同樣代碼又重新從內(nèi)存中讀取到Cache中，如此反復(fù)，實際的結(jié)果是函數(shù)體Func代碼被三次從內(nèi)存中讀取到Cache中，導(dǎo)致效率大大降低。
　　代碼舉例4：
　　for（i=0;i《3;i++） {
　　Func（i）;
　　}
　　被優(yōu)化為：
　　for（i=0;i《3;i++） {
　　Func1（i）;
　　}
　　for（i=0;i《3;i++） {
　　Func2（i）;
　　}
　　for（i=0;i《3;i++） {
　　Func3（i）;
　　}
　　將函數(shù)體Func分成幾個單獨的子函數(shù)：Func1、Func2、Func3，然后分別循環(huán)。這樣Func1循環(huán)時，由于代碼量較小，整個函數(shù)體都在Cache中。Func2、Func3類似。這樣的結(jié)果是，函數(shù)體Func1、Func2、Func3都只從內(nèi)存被讀一次到Cache中。
　　4　從數(shù)據(jù)Cache的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　4.1　數(shù)據(jù)Cache對程序效率的分析
　　從前面分析可知，在程序取操作數(shù)環(huán)節(jié)，若能從數(shù)據(jù)Cache中讀取操作數(shù)，而不是每次都從內(nèi)存中讀取則能提高程序執(zhí)行速度。
　　4.2　從提高數(shù)據(jù)Cache命中的角度進(jìn)行優(yōu)化
　　① 訪問數(shù)據(jù)時，最好是對同一段數(shù)據(jù)在一個地方集中訪問。
　　② 訪問數(shù)據(jù)時，最好是根據(jù)數(shù)據(jù)的順序依次訪問。比如對數(shù)組的訪問，最好是按數(shù)組成員依次訪問，效率較高。
　　③ 為了使程序能夠連續(xù)訪問數(shù)據(jù)，需要調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、重構(gòu)代碼使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序配合，提高數(shù)據(jù)Cache的命中率。
　　4.2.1　數(shù)組連續(xù)訪問的優(yōu)化
　　代碼舉例5：
　　float afBuf［1000］;
　　float xBuf［8］［24］;
　　Func {
　　for（i=0;i《24;i++） {
　　xBuf［0］［i］=afBuf［0+i］;
　　xBuf［1］［i］=afBuf［24+i］;
　　……
　　xBuf［7］［i］=afBuf［168+i］;
　　}
　　}
　　被優(yōu)化為：
　　Func {
　　for（i=0;i《8;i++） {
　　m=i*24;
　　xBuf［i］［0］=afBuf［0+m］
　　xBuf［i］［1］=afBuf［1+m］;
　　……
　　xBuf［i］［23］=afBuf［23+m］;
　　}
　　}
　　這樣優(yōu)化后，數(shù)據(jù)每次訪問都是連續(xù)的。
　　4.2.2　將不連續(xù)數(shù)據(jù)訪問重構(gòu)為連續(xù)訪問的優(yōu)化
　　代碼舉例6：
　　floatafBufA［24］;
　　floatafBufB［24］;
　　floatafBufC［24］;
　　floatxbuf［200］;
　　Func {
　　xBuf［0］=afBufA［0］;
　　xBuf［1］=afBufB［0］;
　　xBuf［2］=afBufC［0］;
　　……
　　xBuf［69］=afBufA［23］;
　　xBuf［70］=afBufB［23］;
　　xBuf［71］=afBufC［23］;
　　}
　　被優(yōu)化為：
　　struct {
　　float fA;
　　float fB;
　　float fC;
　　} aBufABC［24］;
　　floatxbuf［200］;
　　Func {
　　xBuf［0］=aBufABC［0］.fA;
　　xBuf［1］=aBufABC［0］.fB;
　　xBuf［2］=aBufABC［0］.fC;
　　……
　　xBuf［69］=aBufABC［23］.fA;
　　xBuf［70］=aBufABC［23］.fB;
　　xBuf［71］=aBufABC［23］.fC;
　　}
　　5　軟件優(yōu)化實驗結(jié)果
　　5.1　優(yōu)化對比實驗
　　在自動化裝置的主要消耗資源的實時掃描任務(wù)中進(jìn)行了代碼分析，并按上述可能優(yōu)化措施進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前實時掃描任務(wù)占用資源為系統(tǒng)CPU總資源的52%。代碼優(yōu)化后實時掃描任務(wù)占用CPU資源只有系統(tǒng)總資源的31%。
　　對比可以看出，系統(tǒng)效率提高了40%，效果是非常明顯的。
　　結(jié)語
　　雖然CPU的標(biāo)稱性能指標(biāo)非常高，但其有專用的體系結(jié)構(gòu)，對一般開發(fā)者的編程開發(fā)方式而言并不是完全匹配，導(dǎo)致發(fā)揮不出CPU的潛力。所以有針對性的根據(jù)CPU的體系結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析，并采取針對性的優(yōu)化措施，才能真正發(fā)揮其性能，滿足嵌入式強(qiáng)實時性要求。
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