2022年针对DSP指令生成与二进制翻译的汇编器实现 .pdf

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1、中图分类号 : TP314文献标识码 : A文章编号 : 1009 2552( 2011) 03 0047 04针对 DSP指令 生成与二 进制翻译 的汇编 器实现肖贺，刘佩林( 上海交通大学电子信息 与电气工程学 院，上海 200240)摘要:DSP指令生成与优化和二进制翻译 是现 代编译 工具 值得关注的热点问题 。针对 DSP 指令 的特点 提出一种通用的DSP 指令生成 ( 支持 VLIW 指令)与二进制翻译 技术 ，并应用于GNU汇编 器 ( GAS) 。包含 该技术 的汇编 器 PCA ( PostCompilation Assembler)先将输入 的汇编 指令转化 成类似 LI

2、SP 的中 间语言。PCA 通过对此中间语言分析以及 窥孔 优化 ，最终生成高 质量的 目标平台 DSP代码 。关键词 :DSP指令 生成 ; VLIW 指令 ; 二进制翻译 ;编译后优化;窥孔优化Implementationof assembler for DSP code generationand binary translationXIAO He，LIU Pei-lin( School of Electronic Informationand Electrical Engineering ，Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200240 ，C

3、hina )Abstract : DSP code generation and optimization，along with binary translation，has become a well-concerning focus of the modern tool chain This paper，on account of the specialties of DSPinstruction，proposed a general method of DSP code generating ( include VLIW )and binary translation，whichappl

4、ied in GNU assembler ( GAS) GAS with this technology ( called PCA)first translates sourceassemblyinstructions into LISP-like intermediate representation ( IR) ; by analyzing the behaviors of theIR statements and employing post-compilation techniques such as peephole optimization，PCA willproduce DSP

5、codesof high quality suitable for the target platformKey words : DSP code generation ; VLIW ; binary translation; post-compilation optimization; peepholeoptimization0引言在现 代编译工 具的研究中 ， 为了尽可能地让编译器 编 译出适应于 特定 DSP架构的 代码， 设计者提出一种 编译后优化的方 法来控制编译器 进行机器相关的优 化。编译后 优化 的方法有 很多，窥孔 优化便是其中 很重 要 的一 种1 。窥孔 优化的基 本 思

6、想是考察窥孔 窗中的 一 组 指令 ( 一般是 3 5 个 ) ， 对这组指令 进行 局部优化， 然后滑 动窗的位置， 对下一组指令 执 行优化操作直到 所有指令扫描结 束。目前成熟的 DSP编译器 通 常会 采用 窥孔 优化技术 来生成与机 器 架构相关 的特殊 指令和优化代码2 3。此 外， 现代 工具 链有一个很 有前景的应用 称之为二进制翻译 ， 也就是说 ， 某一架构的汇编二进制程序通过特定的工具能够被翻译 为能在另一种架构上执行的 可执行代码， 同时保证二进制程序不会有太明显的性能降 低。据研究4 5表明， 窥孔 优化十分适用于 二进制翻译 。为了满足 上述两 方面的要求， 提出一

7、种采用编译后优化技术 生成 特定 DSP 指令 和 完成二进制翻译的汇编器 PCA， 它将 窥孔 优化技术 从编译阶段 推迟到汇编链接阶段 。这样的编 译结构有 三方面的好处: 首先 ， 该 汇 编器 结构 为 二 进 制翻 译 创造 了 可收稿日 期:2010 10 27作者简介 :肖贺 ( 1986 ) ， 男， 硕士研究 生， 主要 研究 方 向为 DSP处理器 体系架构及其编译器汇 编器实现 。74名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - -

8、 - - - - - - 能。其 次， 该结 构提 出优化技术 可以用于 不同 高级编程语 言下 的程序 优化 ， 也能适用于 高级语言与汇编语 言 混合 编程的情况 。最后， 在编译阶段得 不到的许多 程序相关 信息 例 如符 号信息 ， 变量存储形式( 内存 或是寄存 器) 可 以在汇编阶段 获得， 能够更加有效地 进行 优化。1整体设计提出的汇编器 PCA 首先将 汇编代码( 编译器 生成或者 手写汇编代码) 翻译 转化成一 种通用的中 间语言。PCA 接 着采用基于 窥孔 优化的指令翻译 生成算法 对中间语言 进行 分析 与优化， 最终生成 所需要的目 标代码。从流程 框架和中间语言匹

9、配 两方面对 PCA 展开具体讨论 。1 1PCA 流程框架PCA 是 基 于 GNU 汇 编器 GAS 而 开 发的， 而GAS 是 以行为 单 位 进行 扫描并生成 最终二 进制代码。这 种传统的汇编器 结构不适合进行 二进制翻译和构造 DSP 指令 ， PCA 对此结构进行 了相 应的 调整。PCA的工作原理如 图1所示。图 1PCA 工作流程图源汇 编代码 首先 通过 PCA 的解析单元转换成中间语 言 IR( Intermediate Representation ) ， 同时重建程序控制 流信息 ， 并生成 符号 表。被转换过的中 间语言通 过窥孔 优化 算法 与预先定 义的DSP

10、架构指令库中的 模式 进行 匹配 与选择 变换 ， 同时更新优化后 IR 序列 的 符 号表。最后， PCA 将最终的中 间语言序列 和符号表生成 可 执行文件。1 2中间语言 IR 描述 与匹配PCA 采用 类 似 于 GCC 中 RTL 语言6的 IR 结构作为 其中 间语言， 如图 2 所示。可以 看出， IR 结构包含 两 个 部 分，操 作 部分opcode和操作 数部 分operands 。图 2IR 结构图其中 ， opcode中的 CODE 域指定当前 中间语言语句完成的行为 ， PCA 定义了一组标准名来指定一些通用的 操作， 例如 PLUS表示加法， MINUS 表示减法，

11、 SHIFT表示移位操作等等。CODE集合亦可以根据特定 的 DSP 指令 架 构而进行 扩展。IR_TYPE域标识指令模板 的分类， 该分类使 用于 VLIW 模板中。operands部分指 定特定 操作下 操作数的 特征，其中第一个操作数为目标操作数，其他为源操作数。它包 含 TYPE， operandx 和 WIDTH 三个 域。TYPE域指定操作数的 类型， 例如 REG 表示普通 寄存器，SPR表示特殊寄存器， MEM 内存， 以及 IMM 表示立即数。operandx域标识操作数的 名称，例如REG: r7表示某条语 句的一个 操作数是寄 存 器型， 名称 是r7。不同 的 IR

12、语句中相同的操作数名称 表明了他们对同一个操 作数进行 了操作。WIDTH 域指定了操作数的位宽。2具体实现给出了 PCA 的工作流程以及介绍了中间语言。结合 DSP指令 特点来详细 说明 PCA 生成 DSP指令代码的过程。2 1控制 流重建重建输入程序的控制流对于汇编器来说是一个比较大的挑战。为了有效地优 化和 解析源汇 编代码的功能， PCA 首先 需要将直接转 换过来的 IR 语句分割成不同 的基 本块。具体做法是 PCA 找出跳转语句， 将它们作为基本块最后一条语句， 并将它们 的跳转目标作为基 本块的第一条语句， 以此来分割 IR程序。接着通过分析 基本块 中各语句的 OPERAN

13、D域标识得它们 的依赖关系后， PCA 以这些被分割的基本块为基本单元解析并生成 DSP指令。2 2指令翻译 生成算法指令翻译 生成 算法的基 本原理是 IR 中间语句匹配， 所谓的中 间语句匹配 ， 是指当汇编指令经过解释器转 换 成 中 间 语 句后， 该 语 句 的 OPCODE 域，TYPE 域和 WIDTH 域和某个预先定 义的 IR 模板相一致。IR 支持嵌套结构以进行 复杂的窥孔 优化， 即一个 IR 语句的操作数可以是一条 IR 语句结构。由于 IR 语 句的作用是改变目标操 作数的值 ， 那么 IR语句本身可以等价于一个与目 标操作数相同的一个操作数。一般来说， DSP指令

14、可以大致分为两类， 一类称为增强指令 ， 能够完成很强大的运算操作 ， 另一类是VLIW 指令 ， 包含多个发 射槽。PCA 预先定 义复杂的 IR 模板， 通过 IR 语句合并算法 可以实现 第一类84名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 指令 ; 通过指 定 指令 封包的格式可以实现 第二类指令。对 于第一类增强指令 ， IR 语言模板可以是一系列简 单 模板的嵌套。第 二类指令的模板为一系列格式的指令 包。而对于

15、普 通非DSP指令 来说，翻译过程比较 简单， 本 文不多赘述。指令翻译 生成 算法的 流程图如图 3 所示。图 3的左半 部分实现 IR 语句合并生成 DSP增强指令 的过程。首先， PCA 会根据 DSP 增强指令模板生成 IR语句合 并器。IR 语句 合并但 与会根据操 作数依赖关系将 基本块中符合模 板的多条 IR 语句合并起 来。如果 IR 语句合 并单元确实对当前 IR 语句执行了合并操作， 则会对所 有参与 合并的 IR 语句进行 标 识，以便 PCA 将参 与 合并的 IR 语句从缓冲区内删 除，否则， 该 IR 语句将直接 进入下一级模块 。图 3指令翻译 生成算法 流程图D

16、SP指令 封装 过程 如图 3 右半部 分所示。PCA根据预 先定 义 的 DSP封 包规 则， 生成一 个 IR 语句封装 器。IR 语句封装 器接收 IR 语句合并单元的 输出IR语句，并根据 封包 规则对这些IR语句进行 封装。例 如， 如果 当前 的 DSP 架构支持的是支持同时发射 3 条 指令 ， 那么 PCA 会根据 IR 语句的依赖关系将不 相关 的 IR 语句进行封装 ， 若不存 在 3 条这样的指令 ， 那么 则 通过插入 NOP 指令 来进行 封装 。若DSP架 构不符合 VLIW 结构， 则可通过指 定封装规则为一 次发射一条指令 来实现 此 DSP 单发射架构。2 3

17、DSP指令变 换匹配不符合 DSP 模板的 IR 语句存在两种情况 ， 一种是通过相应的 变换后 可以符合某种 DSP 模板， 另一种是无法符合任何DSP模板的。由于PCA最关注的问题是如何尽可能多 地生成 符合 DSP模板的指令， 因此 PCA 尽量转换第 一类 IR 语句为匹配 IR语句。对 于 PCA 来 说，匹 配 变 换 的 方 法 有 以 下两种。( 1) 操作数位置交 换: DSP 指令 的源操作数通常不具有可交换性， 例如， 某 DSP 加 法指令 要求第一源操作数为 内存 操作数， 第二源 操作数为 寄存器操作，那么第 一源操作数为 寄存器，第二源操作数为内存的 IR 加法语

18、 句无法直接匹配 模板生成 相应的指令; 通过交换两源操作数的 位置， 可以使 该 IR 语句匹配 DSP加法模板。(2) 操作数类型转换: DSP 指令对 操作数类型一般有严格的限 定， 对于无法通 过置换操作数位置的第一类 IR 语句， PCA 通 过类型变换来匹配某些IR 模板; 例如， 某 DSP 移位法指令 要求所 有的 操作数为寄存器操作数， 对于其中第一源操作数为 立即数的 IR 移位语句， 可以通过在该语句前插入一个将立即数搬移到寄存器操作的语 句， 然后再将 此移位语句的所有 操作数修 改为相应的 寄 存器， 以符 合DSP移位模板生成 特定的移位指令，可以看出， 第一种匹配

19、 方法不会引入额外的代价( 不会增加新的指令 ) ， 而第二类 匹配 方法则会带来额外的开销 ( 插入新 的指令 ) 。在实 际的 DSP 指令生成 过程中，通过权衡计算匹配 操作给PCA代码生成时候带来好处或者额外的开销， 可以选择 在特定的基 本块中是否使用该匹配 操作。3结果分析PCA 的目标机为 AISA， 它一款包 含 DSP 音频加速指令 的处理器7。该处理器 包含两条 流水线 ，一条流水线执 行 RISC 基本指令 集 BASIC INST( 包含运算， 跳转， 比较 等指令 ) ， 另一条流水线 执行音频扩展指令 AUDIO EXTENTION。测试程序为 HE-LIX 非商用

20、免费的 AAC 解码器 ， 该 源代码中包含了大量的乘法操作 ， 内存 变量加法操作等等 ， 且这些运算操作在 AISA 中有相应的 DSP音频加速指令 与之对应。3 1二进制翻译 性能 比较为了测试 PCA 的 二进制翻译 能力， 使用 PCA将 ARM 工具链编译生成 的 AAC 解码二 进制程序翻译为 AISA 可执行的 BASIC INST 二进制程序。表 194名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 为测试 码

21、流。表 1HELIX AAC LC( 无 SBR) 测试 码流名称采样 率比特率声道数长度AM_9644kHz96kbpsMono20 帧AS_12844kHz128kbpsStereo20 帧将 ARM 二进制程序仅翻译 为 BASIC INST 程序的原因 有两个， 一 是避免 了 AISA 中 DSP 音频加速指令带 来的性 能提升 会对 PCA 翻译 能力不足产生掩蔽 现 象; 二 是 由 于 ARM 基 本 指 令集 和 BASICINST 指令 集的 硬件 运算能力类似， PCA 翻译 前后的二进制 程序的 性能比较 的结果能够较 为准确和清晰地反映 出 PCA 的翻译 能力， 实

22、验结果如表 2 所示。表 2PCA 翻译 性能 结果比较( AS_128)测试架构O0O2静态指令动态指令静态指令动态指令ARM14208049625732276667519774AISA158035572184567273933623643从表 2 的 结 果 可 以看 出， 在 arm linux gcc在 O0选项 编译 下的 AAC 在 armulator 上运行的动态指令 数与 BASIC INST相差不 大， 这在很大程度上归功 于 ARM 的 CPU架构与 AISA 的 BASIC INST指令集架 构和寄存器 组织 类似， 使得 在二进制翻译过程不会 引 入 太多 的 额 外

23、开销。在arm linux gcc02选项 下 BASIC INST 的 性能相比有所下降， 这是因为 arm linux gcc 在 02 选项 会执行与 arm 架构相关 的优化策略( 例如指令 乱序) ， 而这 些优化策略可能 对 BASIC INST 指令 集没有像 ARM 指令 集一样带来 显著 的性能提。从结果来看 ， 在没有任何加速指令 情况下 ， PCA 将一 种基本指令 集和程 序翻译为另一 种基本指令 集和程 序的 性能良好。3 2DSP指令 生成的性能比较AAC 解码器 中 包含大量的乘法和移位， 以及内存变量 的加 减法 操 作， 这些都可以通 过 AISA 的音频扩展

24、 指令 AUDIO EXTENSION 来加速运算。通过比较 PCA 对 AAC 解 码器 编译 最 终仅生成 BASICINST 指令 和 同 时 生成 包 含 BASIC INST 与 AUDIOEXTENSION 指令 这两 种情况下 的解码性能( 动态指令条数 ) ， 得出 PCA 生成 DSP 指令 的能力。这里特别需要 指 出， 后 种 情况 ( 含 AUDIO EXTENTION 指令) 的二进制程 序是 PCA 以第一种情况下 ( 仅 BAS-IC INST 指令 ) 的 二 进 制程序通 过反汇编为 汇编文件作为输入， 通过 DSP 指令翻译 生成 算法 最终生成的， 结果如

25、表 3 所示。表 3PCA DSP 指令 生成结 果比较测试ISAO0O2AM_96AS_128AM_96AS_128BASIC372228785490938842167587817239AUDIO265641683348861729973285686220通过表 3 的比较 可以很容易看出包含音频加速指令 AUDIO EXTENSION 的 AAC 解 码器 解码能力有接近两倍 的性能提升， 这一方 面是因为 AISA 的AUDIO EXTENSION DSP 指令 功 能强大， 非常适合音频应用; 另一方面也说明 PCA 在 DSP指令生成方面的功能比较 强劲。4结束语根据设计实现 了一种

26、支持VLIW指令DSP汇编链接器 PCA。由于 PCA 在汇编器这一环节进行 窥孔优化， 使得它 能同 时实现 二进 制翻译 工作。 PCA首先将 输入的指令 集架构汇编语 言转换为中间语言IR， 并通过基于 窥孔 优化的指令翻译 生成 算法 最终生成包含特定 DSP 指令 或另一指令 集架构的 可执行二进制文件， 实现了 DSP指令 ( 包括 VLIW 指令 )的生成 优化和 二进制翻译 功能。通过基于 AISA 平台的性能比较和分析 ， 可以看出 PCA 具备了高性能的 DSP指令 生成和 较好 的二进制翻译 能力， 能够适用于包含大 量 DSP 加 速指 令 运 算的 音频 处理 等领域

27、。参 考 文 献:1 Alfred V Aho， 等编译原理M 李建 中， 姜 守旭 ， 译北京: 机械工业 出版社，2003: 359 3622 Davidson J W，Fraser C W Automatic generation of peephole opti-mizations J ACM SIGPLAN Notices，2004， 39 ( 4) :104 1053 BS Pankaj，Amit Gupta，Rajeev Kumar，et al Optimizing binariesfor multiple gain factors using state based model

28、J 11th Int ConfHigh PerformanceComputing ( HiPC) ，Bangalore，December20044Nakata I，Mori KRetargetableCode Generator J Computer Soft-ware，2008， 25( 1) :47 645 Sorav Bansal，Alex Aiken Binary Translation Using Peephole Su-peroptimizersZStanford University6 RTL Representation，GCC Internals ManualZ 7 Ji Kong，Peiliu Lin ，Next-Generation Consumer Audio ApplicationSpecific Embedded Processor J 8th IEEE Symposiumon Applica-tion Specific Processors ，2010:1 7责任编辑 : 张禹05名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -